KR20180128823A - 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및, 전자 기기 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 고체 촬상 소자는, 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와, 복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를 구비한다. 즉, 본 개시의 고체 촬상 소자는, 복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾼다.
Description
본 개시는, 고체 촬상 소자, 고체 촬상 소자의 구동 방법, 및, 전자 기기에 관한 것이다.
고체 촬상 소자에서, 광전변환부를 포함하는 단위화소로부터는, 광전변환에 의해 광전변환부에 축적되는 전하량에 대해 거의 선형(線形)의 출력 신호를 얻을 수 있다. 그리고, 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지는, 단위화소가 광전변환부에 축적할 수 있는 전하량(포화 전하량)과 노이즈 레벨로 일의적으로 정하여진다. 즉, 고체 촬상 소자의 출력 레벨의 하한은 노이즈 레벨로 한정되고, 상한은 광전변환부의 포화 레벨로 한정된다. 그 결과, 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지는, 광전변환부의 포화 전하량과 노이즈 레벨로 일의적으로 정하여진다.
종래, 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지의 확대를 도모하는 기술로서, 다음의 3개의 방식이 알려져 있다.
(1) 시분할 방식 : 축적 시간의 차이에 의한 다른 감도(感度)로 시분할로 촬영하고, 시분할로 촬영한 복수의 화상을 합성하여, 다이내믹 레인지를 확대한다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
(2) 공간분할 방식 : 감도가 다른 화소를 복수 마련하고, 이들 감도가 다른 복수의 화소로 각각 촬영한 복수의 화상을 합성하여, 다이내믹 레인지를 확대한다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
(3) 화소 내 메모리 추가 방식 : 각 화소 내에 광전변환부로부터 넘친 전하를 축적하는 메모리를 마련하고, 1회의 노광 기간에 축적할 수 있는 전하량을 늘림에 의해 다이내믹 레인지를 확대한다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조).
상술한 특허 문헌 1 내지 특허 문헌 3에 기재된 종래 기술에는, 다음과 같은 문제가 있다.
(1) 특허 문헌 1에 기재된 시분할 방식 : 시분할의 분할수를 늘림에 의해 다이내믹 레인지를 확대할 수 있는 한편, 분할수가 증가하면 아티팩트가 생긴다.
(2) 특허 문헌 2에 기재된 공간분할 방식 : 공간분할의 분할수를 늘림에 의해 다이내믹 레인지를 확대할 수 있는 한편, 분할수가 증가하면 해상도의 저하 등에 의한 화질의 열화가 발생한다.
(3) 특허 문헌 3에 기재된 화소 내 메모리 추가 방식 : 메모리의 용량이 한정되기 때문에, 확대할 수 있는 다이내믹 레인지에 한계가 있다.
본 개시는, 시분할 방식, 공간분할 방식, 및, 화소 내 메모리 추가 방식과는 다른 방식에, 임의로 제어 가능한 감도비(感度比)로 복수의 화상을 촬영하여, 다이내믹 레인지를 확대할 수 있는 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 당해 고체 촬상 소자를 갖는 전자 기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 고체 촬상 소자는,
복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부, 및,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동(間歇驅動)함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를 구비한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 전자 기기는, 상기한 구성의 고체 촬상 소자를 촬상부로서 갖는다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 개시의 고체 촬상 소자의 구동 방법은,
복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하는 고체 촬상 소자의 구동에 있어서,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾼다.
상기한 구성의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 또는, 전자 기기에서는, 복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동(간헐적인 구동)을 행한다는, 시분할 방식, 공간분할 방식, 및, 화소 내 메모리 추가 방식과는 다른 방식에 의해, 복수의 광전변환부의 감도비를 임의로 제어할 수 있다. 그리고, 임의로 제어 가능한 감도비로 복수의 화상을 촬영함으로써, 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다.
본 개시에 의하면, 복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 임의로 제어할 수 있기 때문에, 물리적으로 감도차를 내는 경우에 비하여, 자유롭게 다이내믹 레인지를 변경할 수 있다.
또한, 여기에 기재된 효과에 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 명세서 중에 기재된 어느 하나의 효과라도 좋다. 또한, 본 명세서에 기재된 효과는 어디까지나 예시이고, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 또한 부가적인 효과가 있어도 좋다.
도 1은, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 2는, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 다른 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도(그 1).
도 3은, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 다른 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도(그 2).
도 4는, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 사용례를 도시하는 도면.
도 5는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 6은, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 7은, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 8A는, 셔터 신호 및 전송 신호의 펄스 신호에 의거한, 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동할 때의 회로 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 타이밍 파형도, 도 8B는, 도 8A의 간헐구동의 변형례가 되는 타이밍 파형도.
도 9는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소에서의 다이내믹 레인지 확대에 관한 설명도.
도 10A는, 제1의 포토 다이오드와 제2의 포토 다이오드의 사이즈가 같은 경우의 레이아웃도, 도 10B는, 제2의 포토 다이오드의 쪽이 제1의 포토 다이오드보다도 큰 경우의 레이아웃도.
도 11은, 제2 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 12는, 제2 실시 형태에 관한 단위화소에서의 다이내믹 레인지 확대에 관한 설명도.
도 13은, 제2 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 14는, 제2 실시 형태의 변형례 1에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 15는, 제2 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 16은, 제2 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 17은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 18은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소의 다른 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 19는, 제3 실시 형태에 관한 단위화소에서의 고변환효율 모드의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 20은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소에서의 저변환효율 모드의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 21은, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 22는, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 다른 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 23은, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 24는, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 25는, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 26은, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 27은, 입사광량에 대한 저감도 차분 신호(SNL), 고감도 차분 신호(SNH), 및, 보정 저감도 차분 신호(SNL')의 관계를 도시하는 도면.
도 28A는, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 1에 관한 설명도, 도 28B는, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 2에 관한 설명도.
도 29는, 제6 실시 형태에 관한 단위화소 및 그 제어계의 구성의 한 예를 도시하는 구성도.
도 30은, 제6 실시 형태에 관한 단위화소의 제어계의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 31은, 제6 실시 형태에 관한 단위화소의 제어계의 처리에 관한 설명도.
도 32는, 제6 실시 형태에 관한 단위화소 및 그 제어계의 구성의 다른 예를 도시하는 구성도.
도 33은, 본 개시의 전자 기기의 한 예인 촬상 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 34는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 35는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
도 36A는, 4수준의 참조 전압을 이용하는 피사체 휘도 평가 유닛의 구성례를 도시하는 도면, 도 36B는, 2수준의 참조 전압을 이용하는 피사체 휘도 평가 유닛의 구성례를 도시하는 도면.
도 37은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템의 입체 구성을 도시하는 개략 사시도.
도 38은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서에서의, 제1의 반도체 소자층에서의 광전변환부와 화소 트랜지스터의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 39A, 도 39B는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서가 화상으로서 촬영한 피사체의 휘도 분포를 도시하는 히스토그램.
도 40은, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가 내용과, 노광 시간 제어 유닛에 의한 노광 시간의 길이의 설정에 관한 설명도.
도 41A, 도 41B는, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가 결과에 의거하여, 노광 시간 제어 유닛에 의해 노광 시간의 길이가 설정된 결과를 도시하는 도면.
도 42는, 간헐적인 구동을 이용하지 않는 촬상 장치를 자동차에 탑재한 경우에 있어서의 화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어에 관한 설명도.
도 43은, 간헐적인 구동을 이용하는 촬상 장치를 자동차에 탑재한 경우에 있어서의 화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어에 관한 설명도.
도 44는, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가와, 노광 시간 제어 유닛에 의한 간헐구동의 설정에 관한 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 45는, 듀티비=100%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 46은, 듀티비=50%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 47은, 듀티비=25%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 48은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 제1의 광전변환부와 제2의 광전변환부와의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면.
도 49는, 제7 실시 형태의 변형례 1에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템의 입체 구성을 도시하는 개략 사시도.
도 50은, 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
도 51은, 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 CMOS 이미지 센서의 제2의 광전변환부의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면.
도 52는, 제7 실시 형태의 변형례에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
도 2는, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 다른 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도(그 1).
도 3은, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 다른 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도(그 2).
도 4는, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 사용례를 도시하는 도면.
도 5는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 6은, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 7은, 제1 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 8A는, 셔터 신호 및 전송 신호의 펄스 신호에 의거한, 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동할 때의 회로 동작을 보다 구체적으로 설명하기 위한 타이밍 파형도, 도 8B는, 도 8A의 간헐구동의 변형례가 되는 타이밍 파형도.
도 9는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소에서의 다이내믹 레인지 확대에 관한 설명도.
도 10A는, 제1의 포토 다이오드와 제2의 포토 다이오드의 사이즈가 같은 경우의 레이아웃도, 도 10B는, 제2의 포토 다이오드의 쪽이 제1의 포토 다이오드보다도 큰 경우의 레이아웃도.
도 11은, 제2 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 12는, 제2 실시 형태에 관한 단위화소에서의 다이내믹 레인지 확대에 관한 설명도.
도 13은, 제2 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 14는, 제2 실시 형태의 변형례 1에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 15는, 제2 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 16은, 제2 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도.
도 17은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 18은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소의 다른 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 19는, 제3 실시 형태에 관한 단위화소에서의 고변환효율 모드의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 20은, 제3 실시 형태에 관한 단위화소에서의 저변환효율 모드의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 21은, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 22는, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 다른 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 23은, 제4 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 24는, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도.
도 25는, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 26은, 제5 실시 형태에 관한 단위화소의 회로 동작의 설명에 제공하는 타이밍 파형도.
도 27은, 입사광량에 대한 저감도 차분 신호(SNL), 고감도 차분 신호(SNH), 및, 보정 저감도 차분 신호(SNL')의 관계를 도시하는 도면.
도 28A는, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 1에 관한 설명도, 도 28B는, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 2에 관한 설명도.
도 29는, 제6 실시 형태에 관한 단위화소 및 그 제어계의 구성의 한 예를 도시하는 구성도.
도 30은, 제6 실시 형태에 관한 단위화소의 제어계의 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 31은, 제6 실시 형태에 관한 단위화소의 제어계의 처리에 관한 설명도.
도 32는, 제6 실시 형태에 관한 단위화소 및 그 제어계의 구성의 다른 예를 도시하는 구성도.
도 33은, 본 개시의 전자 기기의 한 예인 촬상 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 34는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도.
도 35는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
도 36A는, 4수준의 참조 전압을 이용하는 피사체 휘도 평가 유닛의 구성례를 도시하는 도면, 도 36B는, 2수준의 참조 전압을 이용하는 피사체 휘도 평가 유닛의 구성례를 도시하는 도면.
도 37은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템의 입체 구성을 도시하는 개략 사시도.
도 38은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서에서의, 제1의 반도체 소자층에서의 광전변환부와 화소 트랜지스터의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도.
도 39A, 도 39B는, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서가 화상으로서 촬영한 피사체의 휘도 분포를 도시하는 히스토그램.
도 40은, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가 내용과, 노광 시간 제어 유닛에 의한 노광 시간의 길이의 설정에 관한 설명도.
도 41A, 도 41B는, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가 결과에 의거하여, 노광 시간 제어 유닛에 의해 노광 시간의 길이가 설정된 결과를 도시하는 도면.
도 42는, 간헐적인 구동을 이용하지 않는 촬상 장치를 자동차에 탑재한 경우에 있어서의 화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어에 관한 설명도.
도 43은, 간헐적인 구동을 이용하는 촬상 장치를 자동차에 탑재한 경우에 있어서의 화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어에 관한 설명도.
도 44는, 피사체 휘도 평가 유닛에 의한 전하량의 평가와, 노광 시간 제어 유닛에 의한 간헐구동의 설정에 관한 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트.
도 45는, 듀티비=100%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 46은, 듀티비=50%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 47은, 듀티비=25%인 경우의 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도.
도 48은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 제1의 광전변환부와 제2의 광전변환부와의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면.
도 49는, 제7 실시 형태의 변형례 1에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템의 입체 구성을 도시하는 개략 사시도.
도 50은, 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
도 51은, 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 CMOS 이미지 센서의 제2의 광전변환부의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면.
도 52는, 제7 실시 형태의 변형례에 관한 CMOS 이미지 센서에서의 단위화소의 내부 구성도.
이하, 본 개시의 기술을 실시하기 위한 형태(이하, 「실시 형태」라고 기술한다)에 관해 도면을 이용하여 상세히 설명한다. 본 개시의 기술은 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 실시 형태에서의 여러가지의 수치나 재료 등은 예시이다. 이하의 설명에서, 동일 요소 또는 동일 기능을 갖는 요소에는 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 설명은 이하의 순서로 행한다.
1. 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기, 전반에 관한 설명
2. 본 개시의 기술이 적용되는 고체 촬상 소자
2-1. 기본적인 시스템 구성
2-2. 다른 시스템 구성
3. 노이즈 제거 처리에 관한 설명
3-1. 노이즈 제거 처리의 처리례 1
3-2. 노이즈 제거 처리의 처리례 2
4. 본 개시의 기술이 적용되는 고체 촬상 소자의 사용례
5. 제1 실시 형태(제2의 포토 다이오드의 신호 전하의 배출처(排出先)가 전원(VDD)인 예)
5-1. 단위화소의 회로 구성
5-2. 단위화소의 회로 동작
5-3. 다이내믹 레인지의 확대 방법
6. 제2 실시 형태(제2의 포토 다이오드의 신호 전하의 배출처가 제1의 포토 다이오드인 예)
6-1. 단위화소의 회로 구성
6-2. 단위화소의 회로 동작
6-3. 제2 실시 형태의 변형례 1
6-4. 제2 실시 형태의 변형례 2
7. 제3 실시 형태(FD 전환 스위치를 제1의 포토 다이오드측의 전송 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 사이에 배치하는 예)
7-1. 단위화소의 회로 구성
7-2. 고변환효율 모드의 회로 동작
7-3. 저변환효율 모드의 회로 동작
8. 제4 실시 형태(FD 전환 스위치를 제2의 포토 다이오드측의 전송 트랜지스터와 리셋 트랜지스터의 사이에 배치하는 예)
8-1. 단위화소의 회로 구성
8-2. 단위화소의 회로 동작
9. 제5 실시 형태(제2 실시 형태, 제3 실시 형태, 및, 제4 실시 형태를 합체한 예)
9-1. 단위화소의 회로 구성
9-2. 단위화소의 회로 동작
9-3. 화소 신호의 연산 처리
10. 제6 실시 형태(포토 다이오드의 감도를 적응적으로 제어하는 예)
10-1. 제어계의 구성
10-2. 제어계의 처리의 흐름
11. 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 작용, 효과
12. 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 변형례
13. 본 개시의 전자 기기(촬상 장치의 예)
14. 제7 실시 형태(단위화소의 노광 시간을 화소마다 조정하는 기구를 구비하는 예)
14-1. 시스템 구성
14-2. 단위화소의 내부 구성
14-3. 시스템의 입체 구성
14-4. 단위화소의 평면 레이아웃
14-5. 하나의 노광 기간 내의 어느 시점에서의 피사체 대(對) 휘도 평가
14-6. 화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어
14-7. 노광 시간의 제어 플로
14-7-1.듀티비=100%로 노광을 계속하는 경우
14-7-2. 듀티비=50%로 노광을 계속하는 경우
14-7-3. 듀티비=25%로 노광을 계속하는 경우
14-7-4. 노광 동작에 의해 얻어지는 제1, 제2의 광전변환부의 출력에 관해
14-8. 제7 실시 형태의 변형례 1(하나의 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛이, 복수개의 단위화소의 제어와 신호 처리를 담당하는 예)
14-9. 제7 실시 형태의 변형례 2(단위화소가 광전변환부를 1개 갖는 예)
14-10.제7 실시 형태의 변형례 3(피사체 휘도에 응하여 , 화소마다 전하 축적부의 용량의 크기를 바꾸는 예)
14-11. 제7 실시 형태의 변형례 4(노광 시간 제어와 전하 축적부의 용량 제어의 쌍방을 구비하는 예)
15. 본 개시의 구성
<본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기, 전반에 관한 설명>
본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 복수의 광전변환부에 관해, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소에 관해, 전하전압 변환부, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제1의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제2의 전송 게이트부, 및, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부를 갖는 구성으로 할 수 있다.
상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 배출 게이트부에 관해, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 제1의 광전변환부에 배출하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 간헐구동에 관해, 배출 게이트부 및 제2의 전송 게이트부를 구동하는 펄스 신호에 의한 간헐적인 구동으로 할 수 있다.
또한 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 구동부에 관해, 제2의 전송 게이트부 및 배출 게이트부를, 노광 기간에서, 도통 기간이 겹쳐지지 않도록, 교대로 같은 주파수로 동작시키는 구성으로 할 수 있다. 또한, 배출 게이트부를 형성하는 게이트 전극은, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는 구성으로 할 수 있다.
또한 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 배출 게이트부에 관해, 제2의 광전변환부와 제1의 광전변환부의 사이에 직렬로 배치된 2개의 게이트부로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 이때, 2개의 게이트부 중, 제1의 광전변환부측의 게이트부의 게이트 전극에 관해서는, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는 것이 바람직하다.
또는 또한, 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 단위화소에 관해, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 전하전압 변환부에 관해, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제1의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터와 제2의 전송 게이트부에 의해 둘러싸이는 제2 영역으로 이루어지는 구성으로 할 수 있다.
또한 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 제1의 전환 게이트부에 관해, 제1의 광전변환부의 신호 전하를 판독할 때에, 전하전압 변환부에 관해, 고변환효율 모드와 저변환효율 모드의 전환이 가능한 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소에 관해, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 구성으로 할 수 있다.
또는 또한, 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 단위화소에 관해, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 전하전압 변환부에 관해, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제2의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제2 영역으로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소에 관해, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 구성으로 할 수 있다.
또는 또한, 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 단위화소에 관해, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 또한, 전하전압 변환부에 관해, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 제1의 전환 게이트부와 제2의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터에 의해 둘러싸이는 제2 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제3 영역으로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소에 관해, 제3 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 구성으로 할 수 있다.
또는 또한, 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 복수의 광전변환부에 관해, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지는 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소에 관해, 전하 축적부, 제1의 전송 게이트부, 제2 및 제3의 전송 게이트부, 제4의 전송 게이트부, 배출 게이트부, 노광 시간 제어부, 및, 전하량 평가부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 제1의 전송 게이트부는, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송한다. 제2 및 제3의 전송 게이트부는, 전하 축적부와 전하전압 변환부와의 포텐셜을 결합한다. 제4의 전송 게이트부는, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송한다. 배출 게이트부는, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출한다. 노광 시간 제어부는, 제4의 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어한다. 전하량 평가부는, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가한다. 이때, 전송 게이트부의 게이트 전극의 하부에는, 제2의 광전변환부로부터 넘친 전하를 전하 축적부에 전송하는 오버플로우 패스가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 노광 시간 제어부에 관해, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는 구성으로 할 수 있다.
본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는,
광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부,
광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 구동부, 및,
광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨을 기초로, 당해 광전변환부의 노광 시간을 제어하는 제어를 구비하는 구성으로 할 수 있다.
또한, 상술한 바람직한 구성을 포함하는 본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 제어계에 관해, 피사체 휘도 평가부 및 노광 시간 제어부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 피사체 휘도 평가부는, 광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨에 의거하여 피사체의 휘도를 평가한다. 노광 시간 제어부는, 피사체 휘도 평가부의 평가 결과에 의거하여, 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 펄스 신호의 펄스 폭을 제어함에 의해 노광 시간을 제어한다.
본 개시의 고체 촬상 소자, 그 구동 방법, 및, 전자 기기에서는, 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 단위화소는, 전하 축적부, 전송 게이트부, 배출 게이트부, 노광 시간 제어부, 및, 전하량 평가부를 갖는 구성으로 할 수 있다. 전송 게이트부는, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송한다. 배출 게이트부는, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출한다. 노광 시간 제어부는, 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어한다. 전하량 평가부는, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가한다. 또한, 노광 시간 제어부에 관해, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는 구성으로 할 수 있다.
<본 개시의 기술이 적용되는 고체 촬상 소자>
[기본적인 시스템 구성]
도 1은, 본 개시의 기술이 적용되는 고체 촬상 소자, 예를 들면 X-Y 어드레스 방식 고체 촬상 소자의 일종인 CMOS 이미지 센서의 구성의 개략을 도시하는 시스템 구성도이다. 여기서, CMOS 이미지 센서는, CMOS 프로세스를 응용하여, 또는, 부분적으로 사용하여 작성된 이미지 센서이다.
본 적용례에 관한 CMOS 이미지 센서(10)는, 도시하지 않은 반도체 기판(반도체 칩)상에 형성된 화소 어레이부(11)와, 당해 화소 어레이부(11)와 같은 반도체 기판상에 집적된 주변 회로부를 갖는 구성으로 되어 있다. 주변 회로부는, 예를 들면, 수직 구동부(12), 칼럼 처리부(13), 수평 구동부(14), 및, 시스템 제어부(15)로 구성되어 있다.
CMOS 이미지 센서(10)는 또한 신호 처리부(18) 및 데이터 격납부(19)를 구비하고 있다. 신호 처리부(18) 및 데이터 격납부(19)에 관해서는, 본 CMOS 이미지 센서(10)와 같은 기판상에 탑재하여도 상관없고, 본 CMOS 이미지 센서(10)와는 다른 기판상에 배치하도록 하여도 상관없다. 또한, 신호 처리부(18) 및 데이터 격납부(19)의 각 처리에 관해서는, 본 CMOS 이미지 센서(10)와는 다른 기판에 마련된 외부 신호 처리부, 예를 들면, DSP(Digital Signal Processor) 회로나 소프트웨어에 의한 처리라도 상관없다.
화소 어레이부(11)는, 광전변환을 행함으로써, 수광한 광량에 응한 광전하를 생성하며 또한 축적하는 광전변환부를 포함하는 단위화소(이하, 단지 「화소」라고 기술하는 경우가 있다)(20)가 행방향 및 열방향으로, 즉, 행렬형상으로 2차원 배치된 구성으로 되어 있다. 여기서, 행방향이란 화소행의 화소의 배열 방향(즉, 수평 방향)을 말하고, 열방향이란 화소열의 화소의 배열 방향(즉, 수직 방향)을 말한다. 단위화소(20)의 구체적인 회로 구성이나 화소 구조의 상세에 관해서는 후술한다.
화소 어레이부(11)에서, 행렬형상의 화소 배열에 대해, 화소행마다 화소 구동선(16)(161∼16m)이 행방향에 따라 배선되고, 화소열마다 수직 신호선(17)(171∼17n)이 열방향에 따라 배선되어 있다. 화소 구동선(16)은, 화소로부터 신호를 판독할 때의 구동을 행하기 위한, 후술하는 구동 신호를 전송한다. 도 1에서는, 화소 구동선(16)에 관해 1개의 배선으로서 나타내고 있지만, 1개로 한정되는 것이 아니다. 화소 구동선(16)의 일단은, 수직 구동부(12)의 각 행에 대응한 출력단에 접속되어 있다.
수직 구동부(12)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 화소 어레이부(11)의 각 화소를 전화소 동시 또는 행 단위 등으로 구동한다. 즉, 수직 구동부(12)는, 당해 수직 구동부(12)를 제어하는 시스템 제어부(15)와 함께, 화소 어레이부(11)의 각 화소를 구동하는 구동부를 구성하고 있다. 이 수직 구동부(12)는 그 구체적인 구성에 관해서는 도시를 생략하지만, 일반적으로, 판독 주사계라고 소출 주사계의 2개의 주사계를 갖는 구성으로 되어 있다.
판독 주사계는, 단위화소(20)로부터 신호를 판독하기 위해, 화소 어레이부(11)의 단위화소(20)를 행 단위로 차례로 선택 주사한다. 단위화소(20)로부터 판독된 신호는 아날로그 신호이다. 소출 주사계는, 판독 주사계에 의해 판독 주사가 행하여지는 판독 행에 대해, 그 판독 주사보다도 셔터 스피드의 시간분만큼 선행하여 소출 주사를 행한다.
이 소출 주사계에 의한 소출 주사에 의해, 판독 행의 단위화소(20)의 광전변환부로부터 불필요한 전하가 소출됨에 의해 당해 광전변환부가 리셋된다. 그리고, 이 소출 주사계에 의한 불필요 전하를 소출함(리셋함)에 의해, 이른바 전자 셔터 동작이 행하여진다. 여기서, 전자 셔터 동작이라, 광전변환부의 광전하를 버리고, 새롭게 노광을 시작하는(광전하의 축적을 시작하는) 동작인 것을 말한다.
판독 주사계에 의한 판독 동작에 의해 판독되는 신호는, 그 직전의 판독 동작 또는 전자 셔터 동작 이후에 수광한 광량에 대응하는 것이다. 그리고, 직전의 판독 동작에 의한 판독 타이밍 또는 전자 셔터 동작에 의한 소출 타이밍으로부터, 금회의 판독 동작에 의한 판독 타이밍까지의 기간이, 단위화소에서의 광전하의 노광 기간이 된다.
수직 구동부(12)에 의해 선택 주사된 화소행의 각 단위화소(20)로부터 출력되는 신호는, 화소열마다 수직 신호선(17)의 각각을 통하여 칼럼 처리부(13)에 입력된다. 칼럼 처리부(13)는, 화소 어레이부(11)의 화소열마다, 선택행의 각 화소(20)로부터 수직 신호선(17)을 통하여 출력되는 신호에 대해 소정의 신호 처리를 행함과 함께, 신호 처리 후의 화소 신호를 일시적으로 유지한다.
구체적으로는, 칼럼 처리부(13)는, 신호 처리로서 적어도, 노이즈 제거 처리, 예를 들면 CDS(Correlated Double Sampling ; 상관 이중 샘플링) 처리나, DDS(Double Data Sampling) 처리를 행한다. 예를 들면, CDS 처리에 의해, 리셋 노이즈나 화소(20) 내의 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된다. 칼럼 처리부(13)에 노이즈 제거 처리 이 외에, 예를 들면, AD(아날로그-디지털) 변환 기능을 갖게 하여, 아날로그의 화소 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 것도 가능하다.
수평 구동부(14)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등에 의해 구성되고, 칼럼 처리부(13)의 화소열에 대응하는 단위 회로를 순번대로 선택한다. 이 수평 구동부(14)에 의한 선택 주사에 의해, 칼럼 처리부(13)에서 단위 회로마다 신호 처리된 화소 신호가 순번대로 출력된다.
시스템 제어부(15)는, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등에 의해 구성되고, 당해 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍을 기초로, 수직 구동부(12), 칼럼 처리부(13), 및, 수평 구동부(14) 등의 구동 제어를 행한다.
신호 처리부(18)는, 적어도 연산 처리 기능을 가지며, 칼럼 처리부(13)로부터 출력되는 화소 신호에 대해 연산 처리 등의 여러가지의 신호 처리를 행한다. 데이터 격납부(19)는, 신호 처리부(18)에서의 신호 처리에 있어서, 그 처리에 필요한 데이터를 일시적으로 격납한다.
상기 구성의 CMOS 이미지 센서(10)에서, 본 개시의 기술은, 단위화소(20)의 회로 구성 및 단위화소(20)의 구동부, 특히, 수직 구동부(12)의 구동 타이밍을 특징으로 하고 있다. 단위화소(20)의 회로 구성 및 수직 구동부(12)의 구동 타이밍의 구체적인 실시 형태에 관해서는 후술한다.
[다른 시스템 구성]
본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서(10)로서는, 상술한 시스템 구성의 것으로 한정되는 것이 아니다. 다른 시스템 구성으로서, 이하와 같은 시스템 구성의 것을 들 수 있다.
예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 데이터 격납부(19)를 칼럼 처리부(13)의 후단에 배치하고, 칼럼 처리부(13)로부터 출력된 화소 신호를, 데이터 격납부(19)를 경유하여 신호 처리부(18)에 공급하는 시스템 구성의 CMOS 이미지 센서(10A)를 들 수 있다.
나아가서는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 화소 어레이부(11)의 열마다 또는 복수의 열마다 AD 변환한 AD 변환 기능을 칼럼 처리부(13)에 갖게 함과 함께, 당해 칼럼 처리부(13)에 대해 데이터 격납부(19) 및 신호 처리부(18)를 병렬적으로 마련하는 시스템 구성의 CMOS 이미지 센서(10B)를 들 수 있다.
<노이즈 제거 처리에 관한 설명>
상술한 CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에서, 단위화소(20)로부터는, 저감도 데이터 신호(SL), 저감도 리셋 신호(NL), 고감도 리셋 신호(NH), 및, 고감도 데이터 신호(SH)의 순서로, 수직 신호선(17)에 대해 각 신호가 출력된다. 또는 또한, 단위화소(20)로부터는, 고감도 리셋 신호(NH), 고감도 데이터 신호(SH), 저감도 데이터 신호(SL), 및, 저감도 리셋 신호(NL)의 순서로, 수직 신호선(17)에 대해 각 신호가 출력된다.
그리고, 후단의 신호 처리부, 예를 들면, 도 1 내지 도 3에 도시하는 칼럼 처리부(13)나 신호 처리부(18)에서, 저감도 데이터 신호(SL), 저감도 리셋 신호(NL), 고감도 리셋 신호(NH), 및, 고감도 데이터 신호(SH)에 대해 소정의 노이즈 제거 처리 및 신호 처리가 행하여진다. 저감도 데이터 신호(SL), 저감도 리셋 신호(NL), 고감도 리셋 신호(NH), 및, 고감도 데이터 신호(SH)를 출력하는 단위화소(20)의 구체적인 구성에 관해서는, 후술하는 실시 형태에서 상세히 설명한다.
이하에서는, 저감도 데이터 신호(SL), 저감도 리셋 신호(NL), 고감도 리셋 신호(NH), 및, 고감도 데이터 신호(SH)의 순서로 수직 신호선(17)에 출력하는 경우를 예로 들어, 칼럼 처리부(13)에서의 노이즈 제거 처리 및 신호 처리부(18)에서의 연산 처리의 예에 관해 설명한다.
[노이즈 제거 처리의 처리례 1]
우선, 칼럼 처리부(13)는, 저감도 데이터 신호(SL)와 저감도 리셋 신호(NL)와의 차분을 취함에 의해, 저감도 차분 신호(SNL)를 생성한다. 따라서, 저감도 차분 신호(SNL)=저감도 데이터 신호(SL)-저감도 리셋 신호(NL)가 된다. 다음에, 칼럼 처리부(13)는, 고감도 데이터 신호(SH)와 고감도 리셋 신호(NH)와의 차분을 취함에 의해, 고감도 차분 신호(SNH)를 생성한다. 따라서, 고감도 차분 신호(SNH)=고감도 데이터 신호(SH)-고감도 리셋 신호(NH)가 된다.
이와 같이, 처리례 1에서는, 저감도의 신호(SL, NL)에 대해서는, 화소(20) 내의 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈는 제거되는 것이지만, 리셋 노이즈는 제거되지 않는 DDS 처리가 행하여진다. 고감도의 신호(SH, NH)에 관해서는, 리셋 노이즈나 화소(20) 내의 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된 CDS 처리가 행하여진다. 또한, 처리례 1에서는, 프레임 메모리를 이용할 필요가 없는 연산 처리이기 때문에, 회로 구성의 간략화, 및, 저비용화가 도모될 수 있는 이점이 있다.
[노이즈 제거 처리의 처리례 2]
노이즈 제거 처리의 처리례 2에서는, 전(前)의 프레임의 정보를 이용하기 위해, 기억 수단, 예를 들면, 프레임 메모리가 필요해진다. 따라서, 처리례 2의 연산 처리는, 예를 들면, 신호 처리부(18)에서, 데이터 격납부(19)를 기억 수단으로서 이용하거나, 외부의 DSP 회로에서, 프레임 메모리를 이용하거나 하여 행하여지게 된다.
구체적으로는, 우선, 칼럼 처리부(13)는, 저감도 데이터 신호(SL)와, 전(前) 프레임에서의 저감도 리셋 신호(NL)와의 차분을 취함에 의해, 저감도 차분 신호(SNL)를 생성한다. 따라서, 저감도 차분 신호(SNL)=저감도 데이터 신호(SL)-저감도 리셋 신호(NL)가 된다. 다음에, 칼럼 처리부(13)는, 고감도 데이터 신호(SH)와 고감도 리셋 신호(NH)와의 차분을 취함에 의해, 고감도 차분 신호(SNH)를 생성한다. 따라서, 고감도 차분 신호(SNH)=고감도 데이터 신호(SH)-고감도 리셋 신호(NH)가 된다.
이와 같이, 노이즈 제거 처리의 처리례 2에서는, 저감도의 신호(SL, NL)에 대해서도, 리셋 노이즈나 화소(20) 내의 증폭 트랜지스터의 임계치 편차 등의 화소 고유의 고정 패턴 노이즈가 제거된 CDS 처리가 행하여진다. 따라서, 처리례 2에 의하면, 프레임 메모리 등의 기억 수단이 필요해지는 것이지만, 처리례 1에 비하여 리셋 노이즈를 대폭적으로 억제할 수 있는 이점이 있다.
<본 개시의 기술이 적용되는 고체 촬상 소자의 사용례>
다음에, 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 사용례에 관해 설명한다. 도 4는, 상기 구성의 본 개시의 기술이 적용되는 CMOS 이미지 센서의 사용례를 도시하는 도면이다.
상술한 CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)는, 예를 들면, 이하와 같이, 가시광, 적외광, 자외광, X선 등의 광을 센싱하는 다양한 장치에 사용할 수 있다.
·디지털 카메라나, 카메라 기능 부착의 휴대 기기 등의, 감상(監床)의 용도에 제공되는 화상을 촬영하는 장치
·자동 정지 등의 안전운전이나, 운전자의 상태의 인식 등을 위해, 자동차의 전방이나 후방, 주위, 차내 등을 촬영하는 차량탑재용 센서, 주행 차량이나 도로를 감시하는 감시 카메라, 차량 사이 등의 거리측정(測距)을 행하는 거리측정 센서 등의, 교통의 분야에서 사용하는 장치
·유저의 제스처를 촬영하여, 그 제스처에 응한 기기 조작을 행하기 위해, 텔레비전 수상기, 냉장고, 에어 컨디셔너 등의 가전의 분야에서 사용하는 장치
·내시경이나, 적외광의 수광에 의한 혈관 촬영을 행하는 장치 등의, 의료나 헬스케어의 분야에서 사용하는 장치
·방범 용도의 감시 카메라나, 인물 인증 용도의 카메라 등의, 시큐리티의 분야에서 사용하는 장치
·피부를 촬영하는 피부 측정기나, 두피를 촬영하는 마이크로스코프 등의, 미용의 분야에서 사용하는 장치
·스포츠 용도 등 용의 액션 카메라나 웨어러블 카메라 등의, 스포츠의 분야에서 사용하는 장치
·밭이나 작물의 상태를 감시하기 위한 카메라 등의, 농업의 분야에서 사용하는 장치
<제1 실시 형태>
제1 실시 형태는, 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법에 관해, 보다 구체적으로는, 단위화소(20)의 회로 구성 및 수직 구동부(12)의 구동 타이밍의 기본형에 관한 것이다. 도 5∼도 9를 이용하여, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법에 관해 설명한다. 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 도시하는 도 5에 도시하고, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 평면 레이아웃을 도 6에 도시한다.
[단위화소의 회로 구성]
제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)는, 복수의 광전변환부로서, 예를 들면, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)의 2개의 포토 다이오드를 갖는다. 단위화소(20)는, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 더하여, 전송 트랜지스터(전송 게이트부)(21), 전송 트랜지스터(22), 셔터 트랜지스터(배출 게이트부)(23), 리셋 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)를 갖는 구성으로 되어 있다.
또한, 여기서는, 전송 트랜지스터(21), 전송 트랜지스터(22), 셔터 트랜지스터(23), 리셋 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)의 6개의 트랜지스터로서, 예를 들면 N형 MOSFET를 이용하고 있다. 단, 여기서 예시한 6개의 트랜지스터(21∼26)의 도전형의 조합은 한 예에 지나지 않고, 이들의 조합으로 한정되는 것이 아니다. 후술하는 각 실시 형태에서도 마찬가지이다.
이 단위화소(20)에 대해, 선술한 화소 구동선(16)(161∼16m)으로서, 복수의 화소 구동선이 동일 화소행의 각 화소에 대해 공통으로 배선되어 있다. 이들 복수의 화소 구동선은, 수직 구동부(12)의 각 화소행에 대응한 출력단에 화소행 단위로 접속되어 있다. 수직 구동부(12)는, 복수의 화소 구동선에 대해 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 셔터 신호(SHG), 리셋 신호(RST), 및, 선택 신호(SEL)를 적절히 출력한다.
제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)는, 애노드 전극이 저전위측 전원(VSS)(예를 들면, 그라운드)에 접속되어 있고, 수광한 광을 그 광량에 응한 전하량의 광전하(여기서는, 광전자)로 광전변환하여 그 광전하를 축적한다. 제1의 포토 다이오드(PD1)의 캐소드 전극은, 전송 트랜지스터(21)를 통하여 증폭 트랜지스터(25)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 캐소드 전극은, 전송 트랜지스터(22)를 통하여 증폭 트랜지스터(25)의 게이트 전극과 전기적으로 접속되어 있다.
여기서, 증폭 트랜지스터(25)의 게이트 전극이 전기적으로 연결된 영역은, 플로팅 디퓨전(부유 확산 영역/불순물 확산 영역)(FD)이다. 플로팅 디퓨전(FD)은, 전하를 전압으로 변환하는 전하전압 변환부이다.
전송 트랜지스터(21)의 게이트 전극(21G)에는, 고레벨(예를 들면, VDD 레벨)이 액티브가 되는 전송 신호(TG1)가 수직 구동부(12)로부터 주어진다. 전송 트랜지스터(21)는, 전송 신호(TG1)에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 광전변환되어, 당해 포토 다이오드(PD1)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다. 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극(22G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 전송 신호(TG2)가 수직 구동부(12)로부터 주어진다. 전송 트랜지스터(22)는, 전송 신호(TG2)에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 제2의 포토 다이오드(PD2)에서 광전변환되어, 당해 포토 다이오드(PD2)에 축적된 광전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다.
셔터 트랜지스터(23)는, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 캐소드 전극과 고전위측 전원(VDD)의 사이에 접속되어 있다. 셔터 트랜지스터(23)의 게이트 전극(23G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 셔터 신호(SHG)가 수직 구동부(12)로부터 주어진다. 셔터 트랜지스터(23)는, 셔터 신호(SHG)에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 제2의 포토 다이오드(PD2)에 축적된 전하를, 예를 들면 고전위측 전원(VDD)에 배출한다(버린다). 즉, 본 실시 형태에서는, 고전위측 전원(VDD)이 제2의 포토 다이오드(PD2)의 전하의 배출부로 되어 있다.
리셋 트랜지스터(24)는, 고전위측 전원(VDD)과 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(24)의 게이트 전극(24G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 리셋 신호(RST)가 수직 구동부(12)로부터 주어진다. 리셋 트랜지스터(24)는, 리셋 신호(RST)에 응답하여 도통 상태가 되고, 플로팅 디퓨전(FD)의 전하를 전압(VDD)의 노드에 버림에 의해 플로팅 디퓨전(FD)을 리셋한다.
증폭 트랜지스터(25)는, 게이트 전극(25G)이 플로팅 디퓨전(FD)에, 드레인 전극이 고전위측 전원(VDD)에 각각 접속되어 있다. 증폭 트랜지스터(25)는, 제1의 포토 다이오드(PD1) 또는 제2의 포토 다이오드(PD2)에서의 광전변환에 의해 얻어지는 신호를 판독하는 소스 팔로워의 입력부가 된다. 즉, 증폭 트랜지스터(25)는, 소스 전극이 선택 트랜지스터(26)를 통하여 수직 신호선(17)에 접속된다. 그리고, 증폭 트랜지스터(25)와, 수직 신호선(17)의 일단에 접속되는 전류원(31)과는, 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 수직 신호선(17)의 전위로 변환하는 소스 팔로워를 구성하고 있다.
선택 트랜지스터(26)는, 예를 들면, 드레인 전극이 증폭 트랜지스터(25)의 소스 전극에, 소스 전극이 수직 신호선(17)에 각각 접속되어 있다. 선택 트랜지스터(26)의 게이트 전극(26G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 선택 신호(SEL)가 수직 구동부(12)로부터 주어진다. 선택 트랜지스터(26)는, 선택 신호(SEL)에 응답하여 도통 상태가 됨으로써, 단위화소(20)를 선택 상태로 하여 증폭 트랜지스터(25)로부터 출력되는 신호를 수직 신호선(17)에 전달한다.
또한, 선택 트랜지스터(26)에 관해서는, 고전위측 전원(VDD)과 증폭 트랜지스터(25)의 드레인 전극의 사이에 접속하는 회로 구성을 채택하는 것도 가능하다. 또한, 본 예에서는, 단위화소(20)의 화소 회로로서, 전송 트랜지스터(21), 전송 트랜지스터(22), 셔터 트랜지스터(23), 리셋 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)로 이루어지는, 즉 6개의 트랜지스터(Tr)로 이루어지는 6Tr 구성을 예로 들었지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 선택 트랜지스터(26)를 생략하고, 증폭 트랜지스터(25)에 선택 트랜지스터(26)의 기능을 주는 5Tr 구성으로 할 수도 있고, 필요에 응하여, 트랜지스터의 수를 늘린 구성으로 하는 것도 가능하다. 후술하는 각 실시 형태에서도 마찬가지이다.
[단위화소의 회로 동작]
다음에, 상기한 구성의 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 동작에 관해, 도 7의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 7에는, 수직 구동부(12)로부터 출력되는, 선택 신호(SEL), 리셋 신호(RST), 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 및, 셔터 신호(SHG)의 각 파형을 도시하고 있다.
시각(t11)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태(고레벨 상태)로 함에 의해, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 하고, 리셋 신호(RST)의 액티브 기간에서의 시각(t12)에서 전송 신호(TG1) 및 전송 신호(TG2)를 액티브 상태로 한다. 이에 의해, 전송 트랜지스터(21) 및 전송 트랜지스터(22)가 도통 상태가 되기 때문에, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)가 리셋된다. 물론, 리셋 신호(RST)가 액티브 상태가 되고, 리셋 트랜지스터(24)가 도통 상태가 됨에 의해, 플로팅 디퓨전(FD)도 리셋된다.
리셋 신호(RST)의 액티브 기간에서, 시각(t13)에서 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태(저레벨 상태)로 하고 전송 트랜지스터(21)를 비도통 상태로 함으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD1)에의 축적이 시작된다(노광 시작). 제2의 포토 다이오드(PD2)에서도, 시각(t13)에서 전송 신호(TG2)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(22)를 비도통 상태로 함으로써, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD2)에의 축적이 시작된다.
다음에, 시각(t14)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 비도통 상태로 한 후, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 액티브 상태/비액티브 상태를 교대로 반복한다. 셔터 신호(SHG)가 액티브 상태가 되면, 셔터 트랜지스터(23)가 도통 상태가 되기 때문에, 제2의 포토 다이오드(PD2)에 축적된 신호 전하가 고전위측 전원(VDD)에 배출된다. 또한, 전송 신호(TG2)가 액티브 상태가 되면, 전송 트랜지스터(23)가 도통 상태가 되기 때문에, 제2의 포토 다이오드(PD2)에 축적된 신호 전하가 플로팅 디퓨전(FD)에 전송된다.
이 동작을, 시각(t14) 이후의 노광 기간에 교대로 반복하면, 노광 기간에 제2의 포토 다이오드(PD2)에서 광전변환한 신호 전하 중, 셔터 신호(SHG)의 액티브 기간을 제외하는, 전송 신호(TG2)의 액티브 기간만에서 발생한 신호 전하만이 플로팅 디퓨전(FD)에 전송된다. 그리고, 이 제2의 포토 다이오드(PD2)로부터 전송된 신호 전하는, 플로팅 디퓨전(FD)에서 축적/유지된다. 즉, 시각(t14) 이후의 노광 기간에서, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관해, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 펄스 신호에 의한 간헐적인 구동(이하, 단지 「간헐구동」이라고 기술하는 경우가 있다)이 행하여진다.
플로팅 디퓨전(FD)에서 전하 전압 변환된 신호의 판독은, 플로팅 디퓨전(FD)에 축적한 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호로부터 먼저 행한다.
구체적으로는, 시각(t15)에서 선택 신호(SEL)를 액티브 상태로 하고, 선택 트랜지스터(26)를 도통 상태로 하여 단위화소(20)를 선택 상태로 한다. 이에 의해, 플로팅 디퓨전(FD)에 축적되어 있는 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호를, 증폭 트랜지스터(25) 및 선택 트랜지스터(26)를 통하여 수직 신호선(17)에 판독한다. 이때 판독되는 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호가, 선술한 저감도 데이터(D상) 신호(SL)이다.
그 후, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간, 즉, 단위화소(20)의 선택 기간에서, 시각(t16)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD)을 리셋한다. 그리고, 시각(t17)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD)의 레벨을 수직 신호선(17)에 판독한다. 이때 판독되는 신호가, 선술한 저감도 리셋(P상) 신호(NL)이다. 이때의 저감도 리셋(P상) 신호(NL)는, 다음의 제1의 포토 다이오드(PD1)를 위한, 선술한 고감도 리셋(P상) 신호(NH)이기도 한다.
다음에, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간에서, 시각(t18)에서 전송 신호(TG1)를 액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 도통 상태로 하여, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 노광/축적한 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송한다. 그리고, 전송한 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하에 의거한 플로팅 디퓨전(FD)의 레벨을, 증폭 트랜지스터(25) 및 선택 트랜지스터(26)를 통하여 수직 신호선(17)에 판독한다. 이때 판독되는 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호가, 선술한 고감도 데이터(D상) 신호(SH)이다.
상술한 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 펄스 신호에 의거한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동할 때의 회로 동작에 관해, 도 8A의 타이밍 파형도를 이용하여 보다 상세하게 설명한다. 이 간헐구동은, 전송 트랜지스터(22) 및 셔터 트랜지스터(23)를, 노광 기간에서, 도통 기간이 겹쳐지지 않도록, 교대로 같은 주파수로 동작시킴에 의해 실현된다.
도 8A의 타이밍 파형도는, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)를, 각각 T11, T12의 액티브 시간으로 교대로 구동하고 있는 상태를 도시하고 있다. 이에 의해, 전노광 기간(全露光期間)×T11/(T11+T12)에서 광전변환한 신호 전하만을 전송 트랜지스터(22)를 통하여 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하게 된다. 즉, 실효적으로 감도를 T11/(T11+T12)로 떨어뜨릴 수 있다. 이 T11, T12의 시간을 바꾸면, 임의의 감도 조정을 행할 수가 있다.
그와 관련하여, 1회의 단(短)셔터로도 셔터 시간으로 감도의 저하를 실현할 수 있지만, LED 조명하에서의 촬상인 경우에는, LED 플리커 등의 문제가 생겨 버린다. LED는, 항상 점등이 아니라 어느 주파수로 점멸하고 있다. 이 때문에, 단셔터로 한 때에, 노광 타이밍이 이 LED 점멸의 소등 타이밍과 겹쳐지면, LED가 꺼진 화소가 취하여져 버린다. 이것이 LED 플리커이다. 따라서, LED 플리커 등의 관점에서 보면, 1회의 단셔터는 바람직하지가 않다.
또한, 도 8A의 구동 타이밍에 의거한 동작에서는, 셔터 신호(SHG)와 전송 신호(TG2)를 배타적으로 동작시키고 있지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 신호 전하를 완전 전송을 할 수 있는 펄스 폭이 있으면, 도 8B의 구동 타이밍에 의거한 동작이라도 상관없다. 구체적으로는, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 일방의 펄스 신호를 하강시키고 나서 타방의 펄스 신호를 하강시킬 때까지의 기간이, T11, T12의 시간이 됨으로써, 도 8A의 구동 타이밍에 의거한 동작의 경우와 같은 효과를 얻을 수 있다.
[다이내믹 레인지의 확대 방법]
다음에, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서, 상술한 회로 동작에 의해 판독 신호 전하를 이용하여, 다이내믹 레인지를 확대하는 방법에 관해, 도 9를 이용하여 설명한다.
도 9에서, 횡축은 입사광의 광량, 종축은 출력(전자수)을 나타내고 있다. 제1의 포토 다이오드(PD1)의 단위시간당의 감도를 α, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 단위시간당의 감도를 β라고 한다. 제1의 포토 다이오드(PD1)의 출력은 광량에 대해 감도(α)의 경사로 증가하고, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 포화 레벨에 달한 곳에서 수속한다. 한편, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 출력은 광량에 대해, β×{T11/(T11+T12)}의 경사로 증가하고, 전송 트랜지스터(22)에서 전송하는 곳(先)인 플로팅 디퓨전(FD)이 포화에 달한 곳에서 수속(收束)한다.
도 9에서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 포화 레벨보다도 플로팅 디퓨전(FD)의 포화 레벨이 크다고 쓰여 있지만, 같은 정도라도, 플로팅 디퓨전(FD)의 쪽이 작아도 파탄(破綻)은 되지 않는다. 단, 다이내믹 레인지 확대의 효과에 관해서는, 플로팅 디퓨전(FD)의 포화 레벨을 보다 크게 하는 편이 효과도 커진다.
이와 같이 하여, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호를, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도비의 분만큼 게인 업하고, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 경사(감도)와 같게 한 출력을 얻는다. 그리고, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 포화 전의 광량은 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호를 사용하고, 그 이상의 광량에서는 게인 업한 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호를 사용함으로써, 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
또한, 전영역(全(領域)을 게인 업한 제2의 포토 다이오드(PD2)의 출력을 사용한다라는 것은 부적(不適)하다. 왜냐하면, 제2의 포토 다이오드(PD2)는 플로팅 디퓨전(FD)에서의 유지를 전제(前提)로 하고 있기 때문에, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 비교하여 노이즈 성분이 크다. 그때문에, 출력이 작은 영역에서는 출력에 대한 노이즈의 영향이 커져 버린다.
상술한 바와 같이, 제1 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법에서는, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관해, 노광 기간에서의, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 펄스 신호에 의해 간헐구동한다. 여기서, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하의 축적에 관해서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 감도를 상대적으로 높게 설정하기 때문에, 노광 기간의 전체에서 (듀티비 100%로) 신호 전하의 축적이 행하여진다. 이 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐적인 구동에 의해, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도비를 제어할 수 있다.
그리고, 임의로 제어 가능한 감도비로 복수의 화상을 촬영함으로써, 상술한 바와 같이, 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다. 또한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐적인 구동에 의해 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도비를 임의로 제어할 수 있음으로써, 물리적으로 감도차를 내는 경우에 비하여, 자유롭게 다이내믹 레인지를 변경할 수 있다.
또한, 신호 전하의 축적에 관한 간헐적인 구동에 의해 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도차를 제어할 수 있음으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 사이즈의 대소 관계를 묻지 않고 끝난다. 즉, 도 10A에 도시하는 바와 같이, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)가 같은 크기라도, 도 10B에 도시하는 바와 같이, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 쪽이 제1의 포토 다이오드(PD1)보다도 큰 구조라도 상관없다. 이와 같이, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 사이즈의 대소 관계를 묻지 않음으로써, 단위화소(20)의 레이아웃의 자유도를 올릴 수 있다.
<제2 실시 형태>
제2의 포토 다이오드(PD2)의 전하의 배출처(排出先)를, 제1 실시 형태에서는, 고전위측 전원(VDD)으로 하고 있었음에 대해, 제2 실시 형태에서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)로 하고 있다. 도 11∼도 13을 이용하여, 본 개시의 제2 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자 및 그 구동 방법에 관해 설명한다. 도 11은, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 도시하는 회로도이다.
[단위화소의 회로 구성]
제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 구성 소자는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 구성 소자와 같다. 즉, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)는, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 더하여, 전송 트랜지스터(21), 전송 트랜지스터(22), 셔터 트랜지스터(23), 리셋 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)를 갖는 구성으로 되어 있다.
그리고, 셔터 트랜지스터(23)는, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 캐소드 전극과 제2의 포토 다이오드(PD2)의 캐소드 전극의 사이에 접속되어 있다. 즉, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하를 고전위측 전원(VDD)에 배출하는 것이 아니고, 제1의 포토 다이오드(PD1)에 배출하고, 당해 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하에 가산하는 구성으로 되어 있다.
제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서의 다이내믹 레인지 확대에 관한 설명도를 도 12에 도시한다. 도 12에 도시하는 바와 같이, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하를 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하에 가산함에 의해, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 감도가, α+β×{T12/(T11+T12)}로, 제1 실시 형태보다 커진다. 이에 의해, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)에 의해 감도차를 낼 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 보다 확대할 수 있다.
[단위화소의 회로 동작]
다음에, 상기한 구성의 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 동작에 관해, 도 13의 포텐셜도(圖)를 이용하여 설명한다.
도 13의 최상부에는, 전송 트랜지스터(22)-제2의 포토 다이오드(PD2) -셔터 트랜지스터(23)-제1의 포토 다이오드(PD1) -전송 트랜지스터(21)의 단면 구조를 도시하고 있다. 또한, 상태 1, 상태 2, 및, 상태 3에는, 각 동작시의 상기한 단면의 포텐셜을 나타내고 있다. 또한, 도 13의 각 동작 상태에서는, 간단함을 위해, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 발생하는 신호 전하에 관해서는 도시하고 있지 않지만, 실제 동작에서는, 제2의 포토 다이오드(PD2)에 신호 전하가 발생하는 것과 마찬가지로, 제1의 포토 다이오드(PD1)에도 신호가 발생한다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 셔터 트랜지스터(23)는, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 사이에 마련되어 있다. 이 경우, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 포텐셜에 관해서는, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 포텐셜보다도 깊어지도록 설정한다(상태 1).
이와 같은 포텐셜 관계하에서, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)의 펄스 신호에 의한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동이 행하여진다. 이 간헐구동에서, 셔터 신호(SHG)의 액티브 기간에서는, 셔터 트랜지스터(23)의 게이트 전극(23G)하의 포텐셜이 깊어지기 때문에, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하가 제1의 포토 다이오드(PD1)에 전송된다(상태 2). 이에 의해, 도 12에서 설명한 바와 같이, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 감도 향상의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동에서, 전송 신호(TG2)의 액티브 기간에서는, 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극(22G)하의 포텐셜이 깊어지기 때문에, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하가 플로팅 디퓨전(FD)에 전송된다(상태 3).
[제2 실시 형태의 변형례 1]
도 14는, 제2 실시 형태의 변형례 1에 관한 단위화소(20)의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도이다. 도 14의 최상부에는, 전송 트랜지스터(22)-제2의 포토 다이오드(PD2)-셔터 트랜지스터(23)-제1의 포토 다이오드(PD1)-전송 트랜지스터(21)의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 14에 도시하는 바와 같이, 제2 실시 형태의 변형례 1에서는, 셔터 트랜지스터(23)의 게이트 전극(23G)을 제1의 포토 다이오드(PD1)의 위까지 연신(延伸)시킨 화소 구조로 되어 있다. 즉, 셔터 트랜지스터(23)의 게이트 전극(23G)은, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있다. 이때, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 포텐셜 관계에 관해서는, 같은 정도라도 좋다(상태 1). 또는 또한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 쪽이 제1의 포토 다이오드(PD1) 보다도 얕아도 좋다.
이와 같은 화소 구조로 함으로써, 셔터 신호(SHG)의 액티브 상태로 하고, 셔터 트랜지스터(23)를 도통 상태로 하였을 때, 셔터 트랜지스터(23)의 게이트 전극(23G)하의 포텐셜과 함께, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 포텐셜도 깊어진다(상태 2). 따라서, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 포텐셜이 같은 정도라도, 제2의 포토 다이오드(PD2)로부터 제1의 포토 다이오드(PD1)에 신호 전하를 전송할 수 있다.
[제2 실시 형태의 변형례 2]
도 15는, 제2 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소의 회로 구성을 도시하는 회로도이다. 또한, 변형례 2에 관한 단위화소(20)의 회로 동작의 설명에 제공하는 포텐셜도를 도 16에 도시한다. 도 16의 최상부에는, 전송 트랜지스터(22)-제2의 포토 다이오드(PD2)-셔터 트랜지스터(23)-제1의 포토 다이오드(PD1)-전송 트랜지스터(21)의 단면 구조를 도시하고 있다.
제2 실시 형태의 변형례 2에서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)와의 사이에, 배출 게이트부로서, 셔터 트랜지스터(23)와 셔터 트랜지스터(27)의 2개의 셔터 트랜지스터를 직렬로 배치한 화소 구조로 되어 있다. 이 변형례 2에 관한 화소 구조는, 변형례 1에 관한 화소 구조의 셔터 트랜지스터(23)를 2개로 분할한 형태이다. 구체적으로는, 도 16의 최상부에 도시하는 바와 같이, 직렬로 배치된 2개의 셔터 트랜지스터 중, 제1의 포토 다이오드(PD1)측의 셔터 트랜지스터(27)는 그 게이트 전극(27G)이, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있다.
계속해서, 도 16의 포텐셜도를 참조하여, 변형례 2에 관한 화소 구조의 회로 동작에 관해 설명한다. 여기서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 포텐셜 관계를 같은 정도로 설정하고 있다(상태 1). 이 상태에서, 셔터 트랜지스터(23)를 구동하는 셔터 신호(SHG1)와, 셔터 트랜지스터(27)를 구동하는 셔터 신호(SHG2)를, 지금까지의 셔터 신호(SHG)와 같은 타이밍에서 동시에 액티브 상태로 한다(상태 2).
또한, 셔터 신호(SHG1)와 셔터 신호(SHG2)를 비액티브 상태로 할 때에, 셔터 신호(SHG1)를 먼저 비액티브 상태로 하고 나서, 셔터 신호(SHG2)를 비액티브 상태로 한다는 회로 동작을 행한다(상태 3). 전송 신호(TG2)의 액티브 기간에서는, 전송 트랜지스터(22)의 게이트 전극(22G)하의 포텐셜이 깊어지기 때문에, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하가 플로팅 디퓨전(FD)에 전송된다(상태 4).
제2 실시 형태의 변형례 2에서는, 상태 3과 같은 회로 동작을 행하는, 즉, 셔터 신호(SHG1)를 먼저 비액티브 상태로 하고 나서, 셔터 신호(SHG2)를 비액티브 상태로 하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 회로 동작으로 함에 의해, 제2의 포토 다이오드(PD2)와 제1의 포토 다이오드(PD1)의 사이에서, 셔터 트랜지스터(23)를 먼저 비도통 상태에 할 수 있다. 따라서, 셔터 트랜지스터(23) 및 셔터 트랜지스터(27)의 동작시에, 제1의 포토 다이오드(PD1)로부터 제2의 포토 다이오드(PD2)에 전하가 역류하는 것을 방지할 수 있다. 환언하면, 제1의 포토 다이오드(PD1)와 제2의 포토 다이오드(PD2)의 포텐셜 관계를 자유롭게 설정할 수 있기 때문에, 당해 포텐셜 관계의 설정의 자유도가 오른다.
<제3 실시 형태>
제3 실시 형태는, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서, 제1의 포토 다이오드(PD1)측의 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)와의 사이에, 제1의 전환 게이트부로서 FD 전환 트랜지스터(281)를 배치한 예이다. 제3 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 도 17에 도시한다.
[단위화소의 회로 구성]
도 17에 도시하는 바와 같이, 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 FD 전환 트랜지스터(281)를 배치함에 의해, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서 플로팅 디퓨전(FD)으로 하고 있는 부분이 2개로 분할된 것과 등가(等價)가 된다. 이 2개로 분할된 부분 중, 전송 트랜지스터(21)와 증폭 트랜지스터(25)와 FD 전환 트랜지스터(281)에 의해 둘러싸이는 제1 영역을 플로팅 디퓨전(FD11)으로 하고, FD 전환 트랜지스터(281)와 리셋 트랜지스터(24)와 전송 트랜지스터(22)에 의해 둘러싸이는 제2 영역을 플로팅 디퓨전(FD12)이라고 한다. FD 전환 트랜지스터(281)의 게이트 전극에는, 고레벨이 액티브가 되는 스위치 신호(SW1)가 수직 구동부(12)(도 1 참조)로부터 주어진다.
FD 전환 트랜지스터(281)를 구동하는 스위치 신호(SW1)에 의한 제어에 의해, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하를 판독할 때에, 플로팅 디퓨전(FD)에 관해, 고변환효율 모드와 저변환효율 모드의 2개의 모드의 변경이 가능해진다. 고변환효율 모드에서는, 플로팅 디퓨전(FD11)만을 전하전압 변환부로서 사용하는 동작이 된다. 저변환효율 모드에서는, FD 전환 트랜지스터(281)를 도통 상태로 하여 플로팅 디퓨전(FD11)과 플로팅 디퓨전(FD12)을 전하전압 변환부로서 사용하는 동작이 된다.
제3 실시 형태에 관한 단위화소(20)에 의하면, 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 배치한 FD 전환 트랜지스터(281)에 의해, 고변환효율 모드와 저변환효율 모드를 임의로 전환하여 동작시킬 수 있다. 고변환효율 모드 및 저변환효율 모드의 동작의 상세에 관해서는 후술한다.
또한, FD 전환 트랜지스터(281)에 의해, 플로팅 디퓨전(FD12)을, 플로팅 디퓨전(FD11)과 분리될 수 있기 때문에, 도 18에 도시하는 바와 같이, 플로팅 디퓨전(FD12)에 용량 소자(Cap)를 부가할 수 있다. 용량 소자(Cap)로서는, MOS(Metal Oxide Semiconductor) 용량이나 MIM(Metal Insulator Metal) 용량 등을 예시할 수 있다.
플로팅 디퓨전(FD12)에 용량 소자(Cap)를 부가함에 의해, 플로팅 디퓨전(FD12)에 의한 전하 전압 변환할 때의 변환효율을 내려, 유지할 수 있는 신호 전하를 증대시킬 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 더욱 확대하는 것이 가능해진다.
또한, 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 FD 전환 트랜지스터(281)를 배치하지 않아도, 용량 소자(Cap)를 부가하는 것 자체는 가능하다. 단, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하를 판독할 때의 변환효율도 내려가 버리게 되기 때문에, 다이내믹 레인지 확대의 관점에서 보면, FD 전환 트랜지스터(281)를 배치하지 않는 구성은 바람직하지가 않다.
[고변환효율 모드의 회로 동작]
제3 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서의 고변환효율 모드의 회로 동작에 관해, 도 19의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 19에는, 수직 구동부(12)로부터 출력되는, 선택 신호(SEL), 스위치 신호(SW1), 리셋 신호(RST), 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 및, 셔터 신호(SHG)의 각 파형을 도시하고 있다.
노광 시작 전에, 제1의 포토 다이오드(PD1), 제2의 포토 다이오드(PD2), 플로팅 디퓨전(FD11), 및, 플로팅 디퓨전(FD12)을 리셋하기 위해, 시각(t21)에서 스위치 신호(SW1) 및 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 한다. 그리고 나서, 시각(t22)에서 전송 신호(TG1) 및 전송 신호(TG2)를 액티브 상태로 한다.
리셋 신호(RST)의 액티브 기간에서, 시각(t23)에서 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태(저레벨 상태)로 하고 전송 트랜지스터(21)를 비도통 상태로 함으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD1)에의 축적이 시작된다(노광 시작). 제2의 포토 다이오드(PD2)에서도, 시각(t23)에서 전송 신호(TG2)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(22)를 비도통 상태로 함으로써, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD2)에의 축적이 시작된다.
시각(t23)에서의 노광 시작 이후의 회로 동작에 관해서는, 제1 실시 형태의 경우와 같기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다. 또한, 도 19의 타이밍 파형도에서는, 노광 기간 중, 스위치 신호(SW1)를 비액티브 상태로 하고 있지만, 액티브 상태 그대로라도 상관없다.
노광 기간에서의, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)에 의한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동의 후, 시각(t25)에서 선택 신호(SEL)를 액티브 상태로 하고, 선택 트랜지스터(26)를 도통 상태로 함으로써, 단위화소(20)를 선택 상태로 한다.
그 후, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간, 즉, 단위화소(20)의 선택 기간에서, 시각(t26)에서, 스위치 신호(SW1)를 액티브 상태로 하고, FD 전환 트랜지스터(281)를 도통 상태로 한다. 그리고, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 D상(저감도 데이터 신호(SL))을, FD 전환 트랜지스터(281), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)를 통하여 수직 신호선(17)에 판독한다. 노광 기간 중, 스위치 신호(SW1)를 액티브 상태로 하고 있던 경우는 그대로 액티브 상태를 계속한다.
다음에, 시각(t27)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD11) 및 플로팅 디퓨전(FD12)을 리셋한다. 그리고, 시각(t28)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD)(FD11+FD12)의 레벨을, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 P상(저감도 리셋 신호(NL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
그 후, 시각(t29)에서 스위치 신호(SW1)를 비액티브 상태로 하고 FD 전환 트랜지스터(281)를 비도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD)이 플로팅 디퓨전(FD11) 만큼 된다. 이 상태에서, 플로팅 디퓨전(FD11)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상(저감도 리셋 신호(NL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
다음에, 시각(t30)에서 전송 신호(TG1)를 액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 도통 상태로 하여, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 노광/축적한 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD11)에 전송한다. 그리고, 플로팅 디퓨전(FD11)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 D상(고감도 데이터 신호(SH))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다. 그리고 나서, 시각(t31)에서 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태로 한다.
[저변환효율 모드의 회로 동작]
계속해서, 제3 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서의 저변환효율 모드의 회로 동작에 관해, 도 20의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 20에는, 도 19와 마찬가지로, 수직 구동부(12)로부터 출력되는, 선택 신호(SEL), 스위치 신호(SW1), 리셋 신호(RST), 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 및, 셔터 신호(SHG)의 각 파형을 도시하고 있다.
저변환효율 모드인 경우는, 도 20의 타이밍 파형도에 도시하는 바와 같이, 시각(t26)에서 액티브 상태로 한 스위치 신호(SW1)를, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간에서, 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태로 한 시각(t31) 이후의 시각(t32)에서 비액티브 상태로 한다. 이에 의해, 플로팅 디퓨전(FD)이 FD11+FD12의 상태에서, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상(저감도 리셋 신호(NL)) 및 D상(고감도 데이터 신호(SH))을, 수직 신호선(17)에 판독하게 된다.
또한, 이상에서는, 제3 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성에 관해, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 베이스로 설명하였지만, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성에, FD 전환 트랜지스터(281)를 가한 회로 구성으로도, 같은 작용, 효과를 얻을 수 있다.
<제4 실시 형태>
제4 실시 형태는, 제3 실시 형태의 변형례이다. 제3 실시 형태는, FD 전환 스위치(281)을 제1의 전환 게이트부로서, 제1의 포토 다이오드(PD1)측의 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에, 배치하는 예이다. 이에 대해, 제4 실시 형태에서는, FD 전환 스위치(282)를 제2의 전환 게이트부로서, 제2의 포토 다이오드(PD2)측의 전송 트랜지스터(22)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 배치한 예이다. 제4 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 도 21에 도시한다.
[단위화소의 회로 구성]
도 21에 도시하는 바와 같이, 전송 트랜지스터(22)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 FD 전환 트랜지스터(282)를 배치함에 의해, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서 플로팅 디퓨전(FD)으로 하고 있는 부분이 2개로 분할된 것과 등가가 된다. 이 2개로 분할된 부분 중, 전송 트랜지스터(21)와 증폭 트랜지스터(25)와 FD 전환 트랜지스터(282)에 의해 둘러싸이는 제1 영역을 플로팅 디퓨전(FD21)으로 하고, 전송 트랜지스터(22)와 FD 전환 트랜지스터(282)의 사이에 위치하는 제2 영역을 플로팅 디퓨전(FD22)으로 한다. FD 전환 트랜지스터(282)의 게이트 전극에는, 고레벨이 액티브가 되는 스위치 신호(SW2)가 수직 구동부(12)(도 1 참조)로부터 주어진다.
제4 실시 형태에 관한 단위화소(20)에 의하면, 전송 트랜지스터(22)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 FD 전환 트랜지스터(282)를 배치함에 의해, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호를, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호보다도 먼저 판독할 수 있도록 된다.
또한, FD 전환 트랜지스터(282)에 의해, 플로팅 디퓨전(FD22)을, 플로팅 디퓨전(FD21)과 분리될 수 있기 때문에, 도 22에 도시하는 바와 같이, 플로팅 디퓨전(FD22)에 용량 소자(Cap)를 부가할 수 있다. 이에 의해, 플로팅 디퓨전(FD22)의 변환효율을 내려서, 유지할 수 있는 신호 전하를 증대시킬 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 더욱 확대하는 것이 가능해진다.
또한, 전송 트랜지스터(22)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 FD 전환 트랜지스터(282)를 배치하지 않아도, 용량 소자(Cap)를 부가하는 것 자체는 가능하다. 단, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하를 판독할 때의 변환효율도 내려가 버리게 되기 때문에, 다이내믹 레인지 확대의 관점에서 보면, FD 전환 트랜지스터(282)를 배치하지 않는 구성은 바람직하지가 않다.
[단위화소의 회로 동작]
다음에, 상기한 구성의 제4 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 동작에 관해, 도 23의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 23에는, 수직 구동부(12)로부터 출력되는, 선택 신호(SEL), 스위치 신호(SW2), 리셋 신호(RST), 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 및, 셔터 신호(SHG)의 각 파형을 도시하고 있다.
제4 실시 형태인 경우의 회로 동작은, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호를, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호보다도 먼저 판독하는 모드의 동작이 된다. 이 모드의 동작에 관해, 이하에 구체적으로 설명한다.
노광 시작 전에, 제1의 포토 다이오드(PD1), 제2의 포토 다이오드(PD2), 플로팅 디퓨전(FD21), 및, 플로팅 디퓨전(FD22)을 리셋하기 위해, 시각(t41)에서 스위치 신호(SW2) 및 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 한다. 그리고 나서, 시각(t42)에서 전송 신호(TG1) 및 전송 신호(TG2)를 액티브 상태로 한다.
다음에, 리셋 신호(RST)의 액티브 기간에서, 시각(t43)에서 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 비도통 상태로 함으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD1)에의 축적이 시작된다(노광 시작). 제2의 포토 다이오드(PD2)에서도, 시각(t43)에서 전송 신호(TG2)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(22)를 비도통 상태로 함으로써, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD2)에의 축적이 시작된다.
시각(t43)에서의 노광 시작 이후의 회로 동작에 관해서는, 제1 실시 형태의 경우와 같기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다. 도 23의 예에서는, 노광 기간 중, 스위치 신호(SW2)를 비액티브 상태로 한다.
노광 기간에서의, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)에 의한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동의 후, 시각(t45)에서 선택 신호(SEL)를 액티브 상태로 하고, 선택 트랜지스터(26)를 도통 상태로 함으로써, 단위화소(20)를 선택 상태로 한다.
그 후, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간, 즉, 단위화소(20)의 선택 기간에서, 시각(t46)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD21)을 리셋한다. 그리고, 시각(t47)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD21)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상(고감도 리셋 신호(NH))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
뒤이어, 시각(t48)에서 전송 신호(TG1)를 액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 도통 상태로 하여, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 노광/축적한 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD21)에 전송한다. 그리고, 플로팅 디퓨전(FD21)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 D상(고감도 데이터 신호(SH))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
다음에, 시각(t50)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD21)을 리셋하고, 뒤이어, 시각(t51)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한다. 그 후, 시각(t52)에서 스위치 신호(SW2)를 액티브 상태로 하고, FD 전환 트랜지스터(282)를 도통 상태로 한다.
FD 전환 트랜지스터(282)가 도통 상태가 됨으로써, 플로팅 디퓨전(FD22)에 축적하고 있던 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하가, 플로팅 디퓨전(FD)(FD21+FD22)에서 유지된다. 그리고, 이 유지 상태에서의 플로팅 디퓨전(FD)의 레벨을, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 D상(저감도 데이터 신호(SL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
다음에, 스위치 신호(SW2)의 액티브 기간에서, 시각(t53)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 하고, 리셋 트랜지스터(24)를 도통 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD22)을 리셋한다. 그리고, 시각(t54)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD22)의 레벨을, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 P상(저감도 리셋 신호(NL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다. 그리고 나서, 시각(t55)에서 스위치 신호(SW2)를 비액티브 상태로 한다.
또한, 이상에서는, 제4 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성에 관해, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 베이스로 설명하였지만, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성에, FD 전환 트랜지스터(282)를 가한 회로 구성으로도, 같은 작용, 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제4 실시 형태에서의 FD 전환 트랜지스터(282)를, 제3 실시 형태에서의 FD 전환 트랜지스터(281)와 마찬가지로, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 저변환효율 모드로서 사용할 수도 있다. 단, 이 경우는, 신호가 판독 순서가 제2의 포토 다이오드(PD2)→ 제1의 포토 다이오드(PD1)의 순서로 한정된다.
<제5 실시 형태>
제5 실시 형태는, 제2 실시 형태, 제3 실시 형태, 및, 제4 실시 형태를 합체시킨 것이다. 제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 구성을 도 24에 도시하고, 제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 평면 레이아웃의 구성을 도 25에 도시한다.
[단위화소의 회로 구성]
제5 실시 형태에서는, FD 전환 트랜지스터를 2개 구비하고 있다. 구체적으로는, 도 24에 도시하는 바와 같이, 전송 트랜지스터(21)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 제1의 전환 게이트부로서 배치된 FD 전환 트랜지스터(281)와, 전송 트랜지스터(22)와 리셋 트랜지스터(24)의 사이에 제2의 전환 게이트부로서 배치된 FD 전환 트랜지스터(282)를 구비하고 있다. FD 전환 트랜지스터(281)의 게이트 전극(281G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 스위치 신호(SW1)가 인가되고, FD 전환 트랜지스터(282)의 게이트 전극(282G)에는, 고레벨이 액티브가 되는 스위치 신호(SW2)가 인가된다.
이에 의해, 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서 플로팅 디퓨전(FD)으로 하고 있는 부분이 3개로 분할된 것과 등가가 된다. 이 3개로 분할된 부분 중, 전송 트랜지스터(21)와 증폭 트랜지스터(25)와 FD 전환 트랜지스터(281)에 의해 둘러싸이는 제1 영역을 플로팅 디퓨전(FD31)이라고 한다. 또한, FD 전환 트랜지스터(281)와 FD 전환 트랜지스터(282)와 리셋 트랜지스터(24)에 의해 둘러싸이는 제2 영역을 플로팅 디퓨전(FD32)이라고 하고, 전송 트랜지스터(22)와 FD 전환 트랜지스터(282)의 사이에 위치하는 제3 영역을 플로팅 디퓨전(FD33)이라고 한다.
이와 같이, 2개의 FD 전환 트랜지스터(281, 282)에 의해, 플로팅 디퓨전(FD)을, FD31, FD32, 및, FD33의 3개의 영역으로 선택적으로 분할함으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하의 변환효율을 3가지로 전환할 수 있다. 구체적으로는, 플로팅 디퓨전(FD)이 FD31만인 경우의 고변환효율, FD31+FD32인 경우의 저변환효율, 및, FD31+FD32+FD33인 경우의 초저변환효율의 3가지이다. 또한, FD31만의 고변환효율과, FD31+FD32의 저변환효율인 경우에는, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)의 각 신호의 판독 순서를 자유롭게 바꿀 수 있다.
또한, FD 전환 트랜지스터(282)에 의해, 플로팅 디퓨전(FD33)을, 플로팅 디퓨전(FD32)과 분리할 수 있기 때문에, 플로팅 디퓨전(FD22)에 용량 소자(Cap)를 부가할 수 있다. 이에 의해, 플로팅 디퓨전(FD33)의 변환효율을 내려서, 유지할 수 있는 신호 전하를 증대시킬 수 있기 때문에, 다이내믹 레인지를 더욱 확대하는 것이 가능해진다.
[단위화소의 회로 동작]
다음에, 상기한 구성의 제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 동작에 관해, 도 26의 타이밍 파형도를 이용하여 설명한다. 도 26에는, 수직 구동부(12)로부터 출력되는, 선택 신호(SEL), 스위치 신호(SW1), 스위치 신호(SW2), 리셋 신호(RST), 전송 신호(TG1), 전송 신호(TG2), 및, 셔터 신호(SHG)의 각 파형을 도시하고 있다.
여기서, 제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 회로 동작의 동작의 한 예로서, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호를 우선, 고변환효율 모드로 판독하는 경우의 동작을 예로 들어 설명한다.
노광 시작 전에, 제1의 포토 다이오드(PD1), 제2의 포토 다이오드(PD2), 플로팅 디퓨전(FD31), 플로팅 디퓨전(FD32), 및, 플로팅 디퓨전(FD33)을 리셋하기 위해, 시각(t61)에서 스위치 신호(SW1), 스위치 신호(SW2), 및, 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 한다. 그 후, 시각(t62)에서 전송 신호(TG1) 및 전송 신호(TG2)를 액티브 상태로 한다.
다음에, 리셋 신호(RST)의 액티브 기간에서, 시각(t63)에서 전송 신호(TG1)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 비도통 상태로 함으로써, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD1)에의 축적이 시작된다(노광 시작). 제2의 포토 다이오드(PD2)에서도, 시각(t63)에서 전송 신호(TG2)를 비액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(22)를 비도통 상태로 함으로써, 광전변환한 신호 전하의 당해 포토 다이오드(PD2)에의 축적이 시작된다.
시각(t63)에서의 노광 시작 이후의 회로 동작에 관해서는, 제1 실시 형태의 경우와 같기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다. 도 23의 예에서는, 노광 기간 중, 스위치 신호(SW1) 및 스위치 신호(SW2)를 비액티브 상태로 한다.
노광 기간에서의, 셔터 신호(SHG) 및 전송 신호(TG2)에 의한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동의 후, 시각(t65)에서 선택 신호(SEL)를 액티브 상태로 하고, 선택 트랜지스터(26)를 도통 상태로 함으로써, 단위화소(20)를 선택 상태로 한다.
그 후, 선택 신호(SEL)의 액티브 기간에서, 시각(t66)에서 스위치 신호(SW1) 및 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD31)을 리셋한다. 그리고, 시각(t67)에서 스위치 신호(SW1) 및 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD31)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상(고감도 리셋 신호(NH))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
뒤이어, 시각(t68)에서 전송 신호(TG1)를 액티브 상태로 하고, 전송 트랜지스터(21)를 도통 상태로 하여, 제1의 포토 다이오드(PD1)에서 노광/축적한 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD31)에 전송한다. 그리고, 플로팅 디퓨전(FD31)의 레벨을, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 D상(고감도 데이터 신호(SH))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
다음에, 시각(t70)에서 스위치 신호(SW1) 및 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD31)을 리셋하고, 뒤이어, 시각(t71)에서 스위치 신호(SW1) 및 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한다. 그 후, 시각(t72)에서 스위치 신호(SW1) 및 스위치 신호(SW2)를 액티브 상태로 하고, FD 전환 트랜지스터(281) 및 FD 전환 트랜지스터(282)를 함께 도통 상태로 한다.
FD 전환 트랜지스터(281) 및 FD 전환 트랜지스터(282)가 함께 도통 상태가 됨으로써, 플로팅 디퓨전(FD33)에 축적하고 있던 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하가, 플로팅 디퓨전(FD)(FD31+FD32+FD33)에서 유지된다. 그리고, 이 유지 상태에서의 플로팅 디퓨전(FD)의 레벨을, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 D상(저감도 데이터 신호(SL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다.
다음에, 스위치 신호(SW1) 및 스위치 신호(SW2)의 액티브 기간에서, 시각(t73)에서 리셋 신호(RST)를 액티브 상태로 함으로써, 플로팅 디퓨전(FD33)을 리셋한다. 그리고, 시각(t74)에서 리셋 신호(RST)를 비액티브 상태로 한 후, 플로팅 디퓨전(FD33)의 레벨을, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 P상(저감도 리셋 신호(NL))으로서 수직 신호선(17)에 판독한다. 그리고 나서, 시각(t75)에서 스위치 신호(SW1) 및 스위치 신호(SW2)를 비액티브 상태로 한다.
이상에서는, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호를 고변환효율 모드로 판독하는 경우의 동작에 관해 설명하였지만, 저변환효율 모드로 판독하는 경우에는, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상/D상의 판독시에 FD 전환 트랜지스터(281)를 비도통 상태로 하여 두면 좋다. 또한, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 P상/D상과, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 P상/D상을 교체하면, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2) 의 각 신호의 판독 순서를 바꾸는 것도 가능하다.
[화소 신호의 연산 처리]
여기서, CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에서, 단위화소(20)로서, 제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)를 이용하는 경우의, 신호 처리부(18)에서의 화소 신호의 연산 처리에 관해 설명한다.
(화소 신호의 연산 처리의 처리례 1)
우선, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 1에 관해 설명한다. 처리례 1에서는, 신호 처리부(18)는, 저감도 차분 신호(SNL)가 소정의 범위 내가 되었을 때에, 저감도 차분 신호(SNL)와 고감도 차분 신호(SNH)와의 비를 화소마다, 복수 화소마다, 색(色)마다, 공유 화소 단위 내의 특정 화소마다, 또는 전화소 일률적으로 게인으로서 산출하여 게인 테이블을 생성한다. 그리고, 신호 처리부(18)는, 저감도 차분 신호(SNL)와 당해 게인 테이블과의 곱을 저감도 차분 신호(SNL)의 보정치로서 산출한다.
여기서, 게인을 G, 저감도 차분 신호(SNL)의 보정치(이하, 「보정 저감도 차분 신호」라고 칭한다)를 SNL'라고 하면, 게인(G) 및 보정 저감도 차분 신호(SNL')는, 다음 식(1)-(4)에 의거하여 구할 수 있다.
(1) G=SNH/SNL
=(CFD31+CFD32+CFD33)/CFD31×SENSH/SENSL
(2) SENSH=α+β×{T2/(T1+T2)}
(3) SENSL=β×{T2/(T1+T2)}
(4) SNL'=G×SNL
여기서, CFD31, CFD32, CFD33은, 플로팅 디퓨전(FD31, 32, 33)의 용량치, α는 제1의 포토 다이오드(PD1)의 단위시간당의 감도, β는 제2의 포토 다이오드(PD2)의 단위시간당의 감도이다. 따라서, 게인(G)은, 감도비와 용량비와의 곱과 등가이다.
도 27에, 입사광량에 대한 저감도 차분 신호(SNL), 고감도 차분 신호(SNH), 및, 보정 저감도 차분 신호(SNL')의 관계를 도시하고 있다.
다음에, 신호 처리부(18)는, 도 28A에 도시하는 바와 같이, 미리 설정된 소정의 임계치(Vt)를 이용하여 신호 처리를 행한다. 소정의 임계치(Vt)는, 광 응답 특성에서, 고감도 차분 신호(SNH)가 포화 전이면서 광 응답 특성이 리니어한 영역에서 미리 설정된다.
그리고, 신호 처리부(18)는, 고감도 차분 신호(SNH)가 소정의 임계치(Vt)에 달하지 않은 경우, 당해 고감도 차분 신호(SNH)를 처리 대상 화소의 화소 신호(SN)로서 출력한다. 즉, SNH<Vt인 경우, 화소 신호(SN)=고감도 차분 신호(SNH)가 된다.
한편, 신호 처리부(18)는, 고감도 차분 신호(SNH)가 소정의 임계치(Vt) 이하인 경우, 저감도 차분 신호(SNL)의 보정 저감도 차분 신호(SNL')를 처리 대상 화소의 화소 신호(SN)로서 출력한다. 즉, Vt≤SNH인 경우, 화소 신호(SN)=보정 저감도 차분 신호(SNL')가 된다.
(화소 신호의 연산 처리의 처리례 2)
다음에, 화소 신호의 연산 처리의 처리례 2에 관해 설명한다. 처리례 2에서는, 신호 처리부(18)는, 도 28B에 도시하는 바와 같이, 고감도 차분 신호(SNH)가 소정의 범위 내에서, 보정 저감도 차분 신호(SNL')로 고감도 차분 신호(SNH)를 미리 설정된 비율로 합성하여, 화소 신호(SN)로서 출력한다.
예를 들면, 신호 처리부(18)는, 소정의 임계치(Vt)를 기준으로 하여 그 전후의 범위에서, 하기한 바와 같이, 단계적으로, 보정 저감도 차분 신호(SNL')와 고감도 차분 신호(SNH)와의 합성 비율을 변화시킨다. 소정의 임계치(Vt)는, 선술한 바와 같이, 광 응답 특성에서, 고감도 차분 신호(SNH)가 포화 전이면서 광 응답 특성이 리니어한 영역에서 미리 설정된 값이다.
·SNH<Vt×0.90인 경우에, SN=SNH
·Vt×0.90≤SNH<Vt×0.94인 경우에,
SN=0.9×SNH+0.1×SNL'
·Vt×0.94≤SNH<Vt×0.98인 경우에,
SN=0.7×SNH+0.3×SNL'
·Vt×0.98≤SNH<Vt×1.02인 경우에,
SN=0.5×SNH+0.5×SNL'
·Vt×1.02≤SNH<Vt×1.06인 경우에,
SN=0.3×SNH+0.7×SNL'
·Vt×1.06≤SNH<Vt×1.10인 경우에,
SN=0.1×SNH+0.9×SNL'
·Vt×1.10≤SNH인 경우에, SN=SNL'
그와 관련하여, 제1 실시 형태 내지 제4 실시 형태에 관한 단위화소(20)를 이용하는 경우에는, 고감도 데이터 신호(SH) 및 고감도 리셋 신호(NH)의 판독시의 용량이나 감도가 가변(可變)이기 때문에, 그 용량/감도의 값에 의해, 상술한 식(1)의 게인(G)의 값이 변화한다.
신호 처리부(18)에서, 상술한 처리례 1이나 처리례 2의 연산 처리를 행함에 의해, 저조도시의 신호로부터 고조도시의 신호로 보다 매끈하게 전환할 수 있다.
<제6 실시 형태>
제6 실시 형태는, 피사체 휘도에 응하여 포토 다이오드의 감도를 적응적으로 제어하는 예이다. 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20) 및 그 제어계의 구성의 한 예를 도 29에 도시한다. 도 29에서는, 도 11에 도시하는 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)를 베이스로 하고 있다.
[제어계의 구성]
도 29에 도시하는 바와 같이, 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 제어계는, 피사체 휘도 평가부(31) 및 노광 시간 제어부(32)를 가지며, 간헐구동 대상의 제2의 포토 다이오드(PD2)로부터 얻어지는 신호 레벨을 기초로, 당해 제2의 포토 다이오드(PD2)의 노광 시간을 제어하는 구성으로 되어 있다.
이 제어계에서, 피사체 휘도 평가부(31)는, 증폭 트랜지스터(25)에 입력되는 플로팅 디퓨전(FD)의 레벨에 의거하여 피사체 휘도를 평가한다. 노광 시간 제어부(32)는, 예를 들면 수직 구동부(12) 내에 구성되고, 피사체 휘도 평가부(31)의 평가 결과에 의거하여 노광 시간을 제어한다. 노광 시간은, 전송 신호(TG2) 및 셔터 신호(SHG)의 펄스 폭으로 정하여진다. 따라서, 노광 시간 제어부(32)는, 간헐구동하는 전송 신호(TG2) 및 셔터 신호(SHG)의 각 펄스 신호의 펄스 폭을 제어하게 된다.
[제어계의 처리의 흐름]
계속해서, 도 30의 플로우 차트를 이용하여, 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 제어계의 처리의 흐름에 관해 설명한다.
노광 시작하면, 전송 신호(TG2)의 펄스 신호에 의한 간헐구동으로 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호가 플로팅 디퓨전(FD)에 판독된다. 이 노광 기간의 초기에, 피사체 휘도 평가부(31)는, 플로팅 디퓨전(FD)에 판독된 신호 레벨에 의거하여 피사체 휘도를 평가하고(스텝 S11), 노광 시간의 변경이 필요한지의 여부를 판단한다(스텝 S12).
그리고, 노광 시간의 변경의 필요가 있는 경우에는, 피사체 휘도 평가부(31)는, 피사체 휘도가 기준보다도 높은지 낮은지를 판단하고(스텝 S13), 높은 경우는, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 내리는 지령을 노광 시간 제어부(32)에 준다(스텝 S14). 또한, 낮은 경우는, 피사체 휘도 평가부(31)는, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 올리는 지령을 노광 시간 제어부(32)에 준다(스텝 S15).
노광 시간 제어부(32)는, 피사체 휘도 평가부(31)로부터의 지령을 받아서, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 내리는 지령이라면, 전송 신호(TG2)의 펄스 폭을 짧게 하는 제어를 행한다(스텝 S16). 또한, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 올리는 지령이라면, 노광 시간 제어부(32)는, 전송 신호(TG2)의 펄스 폭을 길게 하는 제어를 행한다(스텝 S17).
또한, 본 예에서는, 피사체 휘도에 관해, 높다/낮다의 2단계 평가로 하였지만, 이것으로 한정되는 것이 아니고, 3단계 이상의 다단계 평가로 하여도 좋다.
상술한 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20)의 제어계에 의한 일련의 제어에 의해, 하나의 노광 기간 내에서, 피사체 휘도에 응하여 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 적응적으로 제어하는 것이 가능해진다. 그리고, 이 제어계에 의한 제어하에서 제2의 포토 다이오드(PD2)로부터 얻어지는 신호는, 도 31에 도시하는 신호(S)에 상당한다. 전송 신호(TG2)의 펄스 폭을 변경한 타이밍은 파악하고 있기 때문에, 전 노광 시간에 대해, 감도 변경 전후의 노광 시간(t1, t2)과 각각의 감도(=펄스 폭으로 정하여지는 감도)(β1, β2)는 알고 있다. 이 때문에, 전 노광 기간에서 얻어진 신호(S)는 하기 식으로 표시할 수 있다.
S=β1×t1+β2×t2
이 때문에, 이로부터, 임의의 감도로 전 기간을 노광한 때의 신호로 환산하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 2개의 포토 다이오드(PD1, PD2)를 갖는 제2 실시 형태에 관한 단위화소(20)를 베이스로 하여, 피사체 휘도에 응하여 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도를 적응적으로 제어하는 예에 관해 설명하였지만, 이것으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 피사체 휘도에 응한 포토 다이오드(PD)의 감도의 제어는, 도 32에 도시하는 바와 같이, 포토 다이오드(PD)가 하나인 단위화소(20)에 대해서도 적용 가능하다. 이 경우, 포토 다이오드(PD)의 배출처는, 제1 실시 형태인 경우와 마찬가지로, 고전위측 전원(VDD)이 된다.
또한, 제3 실시 형태, 제4 실시 형태, 및, 제5 실시 형태의 경우와 같이, 제2의 포토 다이오드(PD2)측의 전송 트랜지스터(22)와 플로팅 디퓨전(FD)의 사이에, FD 전환 트랜지스터(28)가 복수 있어도, 노광 기간 중에 FD 전환 트랜지스터(28)를 도통 상태로 하면, 마찬가지로 본 실시 형태의 적용이 가능해진다.
<제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 작용, 효과>
이상 설명한 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20)를 구비하는 CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에 의하면, 이하와 같은 작용, 효과를 얻을 수 있다. 즉, 제2의 포토 다이오드(PD2)의 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동에 의해 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)의 감도비를 임의로 제어할 수 있기 때문에, 물리적으로 감도차를 내는 경우에 비하여, 자유롭게 다이내믹 레인지를 변경할 수 있다.
또한, CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에서는, 저감도의 제2의 포토 다이오드(PD2)에 대해 용량 소자(Cap)를 부가함에 의해, 저감도 데이터 신호(SL)가 포화되는 레벨을 끌어올릴 수 있다. 이에 의해, 다이내믹 레인지의 최소치를 유지한 채로, 다이내믹 레인지의 최대치를 크게할 수가 있어서, 다이내믹 레인지를 확대할 수 있다.
예를 들면, 차량탑재용의 이미지 센서에서, LED 광원과 같이 점멸하는 피사체를, 점멸하는 타이밍에 의해 촬상할 수 없는 LED 플리커라는 현상이 발생하는 경우가 있다. 이 LED 플리커는, 예를 들면, 종래의 고체 촬상 소자의 다이내믹 레인지가 낮고, 피사체마다 노광 시간을 조정할 필요가 있기 때문에 생긴다.
즉, 종래의 고체 촬상 소자는, 다양한 조도의 피사체에 대응하기 위해, 저조도의 피사체에 대해서는 노광 시간을 길고, 고조도의 피사체에 대해서는 노광 시간을 짧게 하고 있다. 이에 의해, 낮은 다이내믹 레인지라도 다양한 조도의 피사체에 대응하는 것이 가능해진다. 한편, 노광 시간에 관계없이 판독 속도는 일정하기 때문에, 판독 시간보다도 짧은 단위로 노광 시간을 설정하는 경우, 노광 시간 이외에 광전변환부에 입사한 광은, 광전변환되어 전하가 되는 것이지만, 판독되는 일 없이 파기된다.
이에 대해, 상술한 바와 같이, CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에서는, 다이내믹 레인지를 확대할 수 있고, 노광 시간을 길게 설정할 수 있기 때문에, LED 플리커의 발생을 억제할 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서(10)(10A, 10B)에서는, 시분할 방식이나 공간분할 방식으로 분할수를 늘린 경우에 발생하는 아티팩트의 발생이나 해상도의 저하를 방지할 수 있다.
<제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태의 변형례>
제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에서는, 1화소 내에 감도가 다른 2개의 광전변환부(제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2))를 마련하는 예를 나타냈지만, 1화소 내에 3개 이상의 광전변환부를 마련하는 것도 가능하다. 이 경우, 감도가 가장 높은 광전변환부에 전하 축적부를 마련하지 않고, 적어도 감도가 가장 낮은 광전변환부에 전하 축적부를 마련하도록 하면 좋다. 또한, 이 조건을 충족시키고 있으면, 감도가 같은 광전변환부를 2개 이상 마련하는 것도 가능하다.
상기한 각 실시 형태에서는, 단위화소(20)가 행렬형상으로 배치되어 이루어지는 CMOS 이미지 센서에 적용한 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 개시의 기술은 CMOS 이미지 센서에의 적용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 개시의 기술은, 단위화소(20)가 행렬형상으로 2차원 배치되어 이루어지는 X-Y 어드레스 방식의 고체 촬상 소자 전반에 대해 적용 가능하다.
또한, 본 개시의 기술은, 전송 트랜지스터(22)와 증폭 트랜지스터(25) 사이의 어느 하나에, pn 접합 용량이나 MIS 용량 등의 화소 내 메모리를 구비하고, 제2의 포토 다이오드(PD2)로부터 전송 트랜지스터(22)를 통하여 전송한 전하를, 당해 화소 내 메모리에 축적하는 구조의 고체 촬상 소자 전반에 대해 적용 가능하다.
또한 본 개시의 기술은, 표면 조사형, 이면 조사형의 어느 화소 구조에 대해서도 적용 가능하다. 여기서, 단위화소(20)가 형성되는 반도체 기판에서, 배선층이 형성되는 기판면을 표면이라고 할 때, 표면측으로부터 입사광이 조사되는 화소 구조가 표면 조사형이고, 이면측으로부터 입사광이 조사되는 화소 구조가 이면 조사형이다.
또한 본 개시의 기술은, 가시광의 입사광량의 분포를 검지하여 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 소자로의 적용으로 한하지 않고, 적외선이나 X선, 또는 입자 등의 입사량의 분포를 화상으로서 촬상하는 고체 촬상 소자 전반에 대해 적용 가능하다.
<본 개시의 전자 기기>
상술한 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자는, 디지털 스틸 카메라나 비디오 카메라 등의 촬상 장치나, 휴대 전화기 등의 촬상 기능을 갖는 휴대 단말 장치나, 화상 판독부에 고체 촬상 소자를 이용하는 복사기 등의 전자 기기 전반에서, 그 촬상부(화상 취입부)로서 이용할 수 있다. 또한, 고체 촬상 소자는 원칩으로서 형성된 형태라도 좋고, 촬상부와, 신호 처리부 또는 광학계가 통합하여 팩키징된 촬상 기능을 갖는 모듈형상의 형태라도 좋다. 전자 기기에 탑재되는 상기 모듈형상의 형태, 즉, 카메라 모듈을 촬상 장치로 하는 경우도 있다.
[촬상 장치]
도 33은, 본 개시의 전자 기기의 한 예인 촬상 장치의 구성을 도시하는 블록도이다. 도 33에 도시하는 바와 같이, 본 예에 관한 촬상 장치(50)는, 렌즈군 등을 포함하는 광학계(51), 촬상부(52), DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작계(57), 및, 전원계(58) 등을 갖고 있다. 그리고, DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 조작계(57), 및, 전원계(58)가 버스 라인(59)을 통하여 상호 접속된 구성으로 되어 있다.
광학계(51)는, 피사체로부터의 입사광(상광)을 취입하여 촬상부(52)의 촬상면상에 결상한다. 촬상부(52)는, 광학계(51)에 의해 촬상면상에 결상된 입사광의 광량을 화소 단위로 전기 신호로 변환하여 화소 신호로서 출력한다. DSP 회로(53)는, 일반적인 카메라 신호 처리, 예를 들면, 화이트 밸런스 처리, 디모자이크 처리, 감마 보정 처리 등을 행한다.
프레임 메모리(54)는, DSP 회로(53)에서의 신호 처리의 과정에서 적절히 데이터의 격납에 사용된다. 표시 장치(55)는, 액정 표시 장치나 유기 EL(electro luminescence) 표시 장치 등의 패널형 표시 장치로 이루어지고, 촬상부(52)에서 촬상된 동화 또는 정지화를 표시한다. 기록 장치(56)는, 촬상부(52)에서 촬상된 동화 또는 정지화를, 가반형의 반도체 메모리나, 광디스크, HDD(Hard Disk Drive) 등의 기록 매체에 기록한다.
조작계(57)는, 유저에 의한 조작하에, 본 촬상 장치(50)가 갖는 다양한 기능에 관해 조작 지령을 발한다. 전원계(58)는, DSP 회로(53), 프레임 메모리(54), 표시 장치(55), 기록 장치(56), 및, 조작계(57)의 동작 전원이 되는 각종의 전원을, 이들 공급 대상에 대해 적절히 공급한다.
이와 같은 촬상 장치(50)는, 비디오 카메라나 디지털 스틸 카메라, 나아가서는, 스마트 폰, 휴대 전화기 등의 모바일 기기용 카메라 모듈에 적용된다. 그리고, 이 촬상 장치(50)에서, 촬상부(52)로서, 선술한 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 단위화소를 갖는 고체 촬상 소자를 이용할 수 있다. 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 단위화소를 갖는 고체 촬상 소자는, 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동에 의해 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다. 이에 의해, 촬상 장치(50)의 화질을 향상시킬 수 있다.
<제7 실시 형태>
제7 실시 형태는, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 기술, 즉, 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐적인 구동을 행하는 기술을 이용한 고체 촬상 소자, 예를 들면 CMOS 이미지 센서의 예이다. 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서의 시스템 구성도를 도 34에 도시한다.
[시스템 구성]
도 34에 도시하는 바와 같이, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)는, 반도체 소자를 형성한 반도체 소자층(이른바, 실리콘 다이)을 예를 들면 5개 적층하여 상호 신호선을 접속한 구조로 되어 있다. 또한, 이하의 설명에서는, 편의상, CMOS 이미지 센서(100)에의 광의 입사면측을 「상측」, 당해 입사면과 대향하는 측을 「하측」으로 하여 설명한다.
가장 렌즈(도 33의 광학계(101)의 렌즈에 상당)에 가까운 측(CMOS 이미지 센서(100)에의 광의 입사측, 상측)에, 제1의 반도체 소자층(101)이 배치된다. 제1의 반도체 소자층(101)의 하측에는, 제2의 반도체 소자층(102)이 배치된다. 제2의 반도체 소자층(102)의 하측에는, 제3의 반도체 소자층(103)이 배치된다. 제3의 반도체 소자층(103)의 하측에는, 제4의 반도체 소자층(104)이 배치된다. 제4의 반도체 소자층(104)의 하측에는, 제5의 반도체 소자층(105)이 배치된다. 제5의 반도체 소자층(105)의 하측에는, CMOS 이미지 센서(100)의 외부 단자(106)가 배치된다.
도 34에서, 점선으로 둘러싼 부분이, 하나의 단위화소(20)를 나타내고 있다. 하나의 단위화소(20)는, 제1, 제2, 제3의 반도체 소자층(101, 102, 103)에 걸처서 형성되어 있다. 제1, 제2, 제3의 반도체 소자층(101, 102, 103)에 걸처서 형성된 단위화소(20)는, 각 반도체 소자층의 표면과 평행하게 되는 면상에, 열방향 및 행방향의 2차원의 어레이형상으로 배열되어 있다. 또한, 도 34에서, 단위화소(20)의 내부 구성에 관해서는 그 개략만을 기재하고 있다.
[단위화소의 내부 구성]
제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의 단위화소(20)의 내부 구성의 한 예를 도 35에 도시한다. 도 35에는, 도 34에 기재된 단위화소(20)의 하나의 내부 구성을 도시하고 있다. 단위화소(20)는, 제1의 반도체 소자층(101)에 형성된 부분과, 제2의 반도체 소자층(102)에 형성된 부분과, 제3의 반도체 소자층(103)에 형성된 부분으로 이루어진다. 도 35를 이용하여, 단위화소(20)의 내부 구성에 관해 구체적으로 설명한다.
단위화소(20)에 포함되는 제1의 반도체 소자층(101)은, 광전변환부와, 광전변환부를 구동하는 트랜지스터(이른바, 화소 트랜지스터)를 구비한다. 이들을 광전변환 유닛이라고 부른다. 광전변환 유닛은, 이하의 소자를 포함한다. 즉, 광전변환 유닛은, 제1의 광전변환부(111), 제2의 광전변환부(112), 제1의 전송 게이트부(113), 제2의 전송 게이트부(114), 제3의 전송 게이트부(115), 및, 제4의 전송 게이트부(116)를 포함한다. 제1의 광전변환부(111)는 제1의 포토 다이오드(PD1)를 포함하고, 제2의 광전변환부(112)는 제2의 포토 다이오드(PD2)를 포함한다.
제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)와의 대응 관계에서, 제1의 전송 게이트부(113)가 전송 트랜지스터(21)에 상당하고, 제2의 전송 게이트부(114)가 FD 전환 트랜지스터(281)에 상당하고, 제3의 전송 게이트부(115)가 FD 전환 트랜지스터(282)에 상당하고, 제4의 전송 게이트부(116)가 전송 트랜지스터(22)에 상당한다. 그리고, 제1의 전송 게이트부(113)의 게이트 전극에는 전송 신호(TG1)가 인가되고, 제2의 전송 게이트부(114)의 게이트 전극에는 스위치 신호(SW1)가 인가되고, 제3의 전송 게이트부(115)의 게이트 전극에는 스위치 신호(SW2)가 인가되고, 제4의 전송 게이트부(116)의 게이트 전극에는 전송 신호(TG2)가 인가된다.
제1의 광전변환부(111)는, 제2의 광전변환부(112)보다도, 포토 다이오드의 수광면적이 크다. 이 때문에, 제1의 광전변환부(111)와 제2의 광전변환부(112)의 쌍방에서, 같은 시간 광전변환 동작을 행하는 경우, 제1의 광전변환부(111)에서는, 제2의 광전변환부(112)보다도, 많은 신호 전하가 발생한다. 제1의 광전변환부(111)는 제2의 광전변환부(112)보다도 많은 신호 전하를 얻을 수 있기 때문에, 제1의 광전변환부(111)는 제2의 광전변환부(112)보다도 감도가 상대적으로 높은 광전변환부, 제2의 광전변환부(112)는 제1의 광전변환부(111)보다도 감도가 상대적으로 낮은 광전변환부로 되어 있다.
제1의 광전변환부(111)에는, 제1의 전송 게이트부(113)가 접속되어 있다. 제1의 광전변환부(111)에는 또한 제1 배출 게이트부(117)가 접속되어 있다. 제1 배출 게이트부(117)는, 그 앞(先)에 오버플로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))이 접속되고, 게이트 전극에 인가되는 구동 신호(OFG1)에 의해 구동됨으로써, 제1의 광전변환부(111)에 구비되는 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하를 오버플로우 드레인에 배출한다. 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 단위화소(20)에서도, 제1의 포토 다이오드(PD1)의 신호 전하를 오버플로우 드레인에 배출하는 제1 배출 게이트부(117)에 상당하는 전하 배출부를 구비하는 구성으로 할 수 있다.
제1의 전송 게이트부(113)와 제2의 전송 게이트부(114)는, 플로팅 디퓨전(이른바, 부유 확산층)(FD)을 통하여 접속되어 있다. 제2의 전송 게이트부(114)와 제3의 전송 게이트부(115)는, 제1 노드(N1)를 통하여 접속되어 있다. 제1 노드(N1)에는, 제2의 전송 게이트부(114)와 제3의 전송 게이트부(115) 외에, 리셋 트랜지스터(리셋 게이트부)(24)가 접속되고, 리셋 트랜지스터(24)의 앞(先)에는, 특정한 전위선(예를 들면, 전원(VDD))이 접속되어 있다. 리셋 트랜지스터(24), 증폭 트랜지스터(25), 및, 선택 트랜지스터(26)의 접속 관계에 관해서는, 제1 실시 형태에 관한 단위화소(20)와 같다.
제3의 전송 게이트부(115)와 제4의 전송 게이트부(116)는, 제2 노드(N2)를 통하여 접속되어 있다. 제2 노드(N2)에는, 제3의 전송 게이트부(115)와 제4의 전송 게이트부(116) 외에, 전하 축적부(118)가 접속되어 있다. 제2의 전송 게이트부(114)와 제3의 전송 게이트부(115)는, 전하 축적부(118)와 플로팅 디퓨전(FD)과의 포텐셜을 결합한다. 제2의 광전변환부(112)에는, 제4의 전송 게이트부(116)가 접속되어 있다. 제2의 광전변환부(103)에는 또한 제2 배출 게이트부(119)가 접속되어 있다. 제2 배출 게이트부(119)는, 그 앞에 오버플로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))이 접속되고, 게이트 전극에 인가되는 구동 신호(OFG2)에 의해 구동된다.
제5 실시 형태에 관한 단위화소(20)와의 대응 관계에서, 제2 배출 게이트부(119)가 셔터 트랜지스터(23)에 상당하고, 전하 축적부(118)가 용량 소자(Cap)에 상당하고, 제2 배출 게이트부(119)의 구동 신호(OFG2)가 셔터 신호(SHG)에 상당한다. 또한, 플로팅 디퓨전(FD)이 플로팅 디퓨전(FD31)에 상당하고, 제1 노드(N1)가 플로팅 디퓨전(FD32)에 상당하고, 제2 노드(N2)가 플로팅 디퓨전(FD33)에 상당하고, 전하 축적부(118)가 용량 소자(Cap)에 상당한다.
제4의 전송 게이트부(116)의 게이트 전극의 하부의 채널 영역은, 포텐셜이 약간 플러스의 방향으로 되어 있다(환언하면, 포텐셜이 약간 깊게 되어 있다). 이에 의해, 전하의 오버플로우 패스가 형성되어 있다. 제2의 광전변환부(112)에서의 광전변환의 결과, 제2의 광전변환부(112)의 포화 전하량을 초과하는 전하가 발생한 경우에는, 포화 전하량을 초과한 전하가, 상기 오버플로우 패스를 통하여, 제2의 광전변환부(112)로부터 전하 축적부(118)로 오버플로우한다(넘쳐나온다). 오버플로우한 전하는, 전하 축적부(118)에 축적된다. 또한, 이하, 제4의 전송 게이트부(116)의 게이트 전극의 하부의 채널 영역에 형성되어 있는 오버플로우 패스를, 단지 제4의 전송 게이트부(116)의 오버플로우 패스라고 칭한다.
제4의 전송 게이트부(116)의 오버플로우 패스의 포텐셜은, 제2 배출 게이트부(119)의 오버플로우 패스의 포텐셜보다도 플러스의 방향으로 되어 있다(환언하면, 포텐셜이 약간 깊게 되어 있다). 이 때문에, 제4의 전송 게이트부(116) 및 제2 배출 게이트부(119)에 같은 게이트 전압(예를 들면, 0V)이 인가된 경우는, 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우하는 전하는, 제4의 전송 게이트부(116)의 오버플로우 패스를 경유하여 전하 축적부(118)로 오버플로우한다.
한편, 제4의 전송 게이트부(116)의 게이트에 부(負)바이어스가 인가된 경우에는, 제4의 전송 게이트부(116)의 오버플로우 패스가 닫혀진다. 이 때문에, 제4의 전송 게이트부(116)에 부바이어스가 인가되고, 제2 배출 게이트부(119)에 0V가 인가된 경우는, 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우하는 전하는, 제2 배출 게이트부(119)의 오버플로우 패스를 경유하여 오버플로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))으로 배출된다.
전하 축적부(118)로서는, 예를 들면, MIS 커패시터나 MOS 커패시터를 이용할 수 있다. 전하 축적부(118)에 MIS 커패시터 또는 MOS 커패시터를 이용하는 경우, 전하 축적부(118)가 갖는 2개의 전극 중, 제1 전극은, 제2 노드(N2)에 접속된 노드 전극이다. 전하 축적부(118)가 갖는 제2 전극은, 접지된 접지 전극이다. 또한, 제2 전극은, 실시 형태의 변형례로서, 접지 전위 이외의 특정 전위, 예를 들면 전원 전위에 접속되어 있어도 좋다.
또한, 전하 축적부(118)에 MIS 커패시터 또는 MOS 커패시터를 이용하는 경우, 한 예로서, 제2 전극은, 실리콘 기판 등의 반도체 기판에 형성된 불순물 영역이고, 용량을 형성하는 유전막은, 반도체 기판상에 형성된 산화막이나 질화막이다. 또한, 제1 전극은, 제2 전극과 유전막의 위에 도전성을 갖는 재료, 예를 들면 폴리실리콘이나 금속으로 형성된 전극이다.
또한, 전하 축적부(118)에 MIS 커패시터 또는 MOS 커패시터를 이용하는 경우, 제2 전극은, 예를 들면, 제1의 광전변환부(111) 또는 제2의 광전변환부(112)가 형성되어 있는 반도체 기판에 더욱 형성된 불순물 영역이다. 제2 전극을 접지 전위로 하는 경우, 제2 전극은, 제1의 광전변환부(111) 또는 제2의 광전변환부(112)의 포토 다이오드에 구비되는 p형 불순물 영역과 전기적으로 접속된 p형 불순물 영역이다. 제2 전극을 접지 전위 이외의 특정 전위로 하는 경우, 제2 전극은, p형 불순물 영역 내에 형성된 n형 불순물 영역이라도 좋다.
전하 축적부(118)의 단위면적당의 용량을, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 구비되는 전하 축적부의 단위면적당의 용량보다도 크게 하기 위해, 제2 전극이 되는 불순물 영역은, 반도체 기판의 깊이 방향에서의 내부에 형성하는 것보다도, 반도체 기판의 표면에 형성하는 편이 바람직하다. 또한, 전하 축적부(118)의 단위면적당의 용량을, 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 구비되는 전하 축적부의 단위면적당의 용량보다도 크게 하기 위해, 제2 전극이 되는 불순물 영역의 불순물 농도는 진(濃)한 편이 바람직하다.
반도체 기판의 표면은, 반도체 기판의 깊이 방향의 내부보다도, 결정 결함이나 계면준위가 많이 존재하는 경우가 있기 때문에, 전하 축적부(118)의 제2 전극으로서, 반도체 기판 표면에 형성한 불순물 영역을 이용하면, 반도체 기판의 깊이 방향의 내부에 전하를 모으는 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 구비되는 전하 축적부보다도, 노이즈가 많은 전하 축적부가 될 가능성이 있다. 그 대신에, 전하 축적부(118)의 제2 전극으로서, 반도체 기판 표면에 형성한 불순물 영역을 이용함에 의해, 반도체 기판의 깊이 방향의 내부에 전하를 모으는 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 구비되는 전하 축적부보다도, 단위면적당의 용량치가 큰 용량(커패시터)을 얻을 수 있다.
단위화소(20)는, 전하 축적부(118)로서, 축적할 수 있는 전하의 양이, 제2의 광전변환부(112)가 축적할 수 있는 전하의 양보다도 2배 이상 큰, 보다 구체적으로는, 예를 들면 100배 정도 큰 전하 축적부를 구비하는 것이 특징이다. 즉, 단위화소(20)는, 제2의 광전변환부(112)에서 발생한 전하의 대부분을, 전하 축적부(118)에 축적하는 구성으로 되어 있다. 또한, 전하 축적부(118)가 축적할 수 있는 전하의 양은, 플로팅 디퓨전(FD)이 축적할 수 있는 전하의 양보다도 2배 이상 크면 좋고, 보다 구체적으로는 예를 들면 100배 정도 크면 좋다.
도 34에서, 단위화소(20)에 포함되는 제2의 반도체 소자층(102)은, 상기 구성의 광전변환 유닛의 동작을 제어하는 화소 제어 유닛과, 광전변환 유닛에서의 광전변환 동작의 결과 생긴 신호에 대해 신호 처리를 가하는 화소 신호 처리 유닛을 구비한다. 화소 제어 유닛은, 이하의 서브유닛을 포함한다. 즉, 화소 제어 유닛은, 피사체 휘도 평가 유닛(201), 노광 시간 제어 유닛(202), 및, 화소 동작 제어 유닛(203)을 포함한다. 화소 신호 처리 유닛은, 이하의 서브유닛을 포함한다. 즉, 화소 신호 처리 유닛은, A/D(아날로그/디지털) 변환 유닛(204), 게인 연산 유닛(205), 및, 블렌드 합성 유닛(206)을 포함한다.
피사체 휘도 평가 유닛(201)은, 어느 하나의 노광 기간 중의 어느 시점에서, 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우 패스를 통하여 전하 축적부(118)에 오버플로우한 전하의 양을 평가하는 수단이다. 보다 구체적으로는, 제2의 광전변환부(112)에서 오버플로가 발생하면, 오버플로우한 전하에 의해 플로팅 디퓨전(FD)의 전압이 변화하는데, 그 플로팅 디퓨전(FD)의 전압을 평가함에 의해, 오버플로우한 전하의 양을 평가하는 것이다.
피사체 휘도 평가 유닛(201)은, 예를 들면 2수준(水準) 또는 4수준의 참조 전압과, 플로팅 디퓨전(FD)과의 전압의 크기를 비교하는 전압 비교기라도 좋다. 4수준의 참조 전압은, 예를 들면, 도 36A에 도시하는 바와 같이, 전원(VDD)과 그라운드의 사이에 5개의 저항(R1∼R5)을 직렬로 배치하고, 이들의 저항 분할에 의해 생기는 4종의 전압(V1∼V4)을 이용하면 좋다. 이와 같이, 4수준의 참조 전압(V1∼V4)을 플로팅 디퓨전(FD)과 전압의 크기를 비교하려면, 이들 4종의 참조 전압(V1∼V4과, 4개의 전압 비교기(61∼64)가 있으면 좋다. 도 36A에서, 전원(VDD)이나 저항(R1∼R5)의 크기를 바꿈으로써, 참조 전압(V1∼V4)을 임의의 크기로 설정할 수 있다.
2수준의 참조 전압은, 예를 들면, 도 36B에 도시하는 바와 같이, 전원(VDD)과 그라운드의 사이에 3개의 저항(R1∼R3)을 직렬로 배치하고, 이들의 저항 분할에 의해 생기는 2종의 전압(V1, V2)을 이용하면 좋다. 이와 같이, 2수준의 참조 전압(V1, V2)을 플로팅 디퓨전(FD)과 전압의 크기를 비교하려면, 이들 2종의 참조 전압(V1, V2)과, 2개의 전압 비교기(61, 62)가 있으면 좋다. 도 36B에서, 전원(VDD)이나 저항(R1∼R3)의 크기를 바꿈으로써, 참조 전압(V1, V2)을 임의의 크기로 설정할 수 있다.
노광 시간 제어 유닛(202)은, 상기한 어느 하나의 노광 기간 중의 어느 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하는 전하의 양의 평가 결과를 기초로, 당해 노광 기간에서의, 상기 평가를 행한 시점부터 그 이후(先)의 노광 기간의 길이를 정한다. 그리고, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 제2의 광전변환부(112)의 노광 기간의 시작과 정지를 담당하는 전송 신호(TG2) 및 구동 신호(OFG2), 및, 제1의 광전변환부(111)의 노광 기간의 시작과 정지를 담당하는, 전송 신호(TG1) 및 구동 신호(OFG1)를 제어한다.
화소 동작 제어 유닛(203)은, 광전변환 유닛에 포함되는, 리셋 트랜지스터(24)의 리셋 신호(RST), 제2의 전송 게이트부(114)의 스위치 신호(SW1), 제3의 전송 게이트부(115)의 스위치 신호(SW2), 및, 선택 트랜지스터(26)의 선택 신호(SEL)를 제어한다.
A/D 변환 유닛(204)은, 단위화소(20)의 노광 동작의 결과, 제2의 광전변환부(112)에서 발생하고, 제2의 광전변환부(112)와 전하 축적부(118)에 축적된 신호 전하와, 제1의 광전변환부(111)에서 발생하고, 제1의 광전변환부(111)에 축적된 신호 전하를 각각 A/D 변환한다.
게인 연산 유닛(205)은, 하기한 출력 특성(1)과 출력 특성(2)을 선형으로 연속시키기 위해, 신호 전하의 A/D 변환 결과와 이것을 얻기 위한 노광 시간의 정보를 기초로, A/D 변환 결과에 게인을 거는 신호 처리를 행한다.
(1) 피사체의 휘도에 대한, 제1의 광전변환부에서 생긴 신호 전하의 A/D 변환 결과 얻어지는 디지털값의 출력 특성
(2) 피사체의 휘도에 대한, 제2의 광전변환부에서 생긴 신호 전하의 A/D 변환 결과 얻어지는 디지털값의 출력 특성
현재, 시장에 유통되고 있는 화상 표시 장치나 화상 인쇄 장치가 수취하는 화상 데이터의 비트 폭은 8비트가 일반적이다. 상기 게인을 건 결과 얻어지는, 피사체의 휘도에 대해 선형의 화소 데이터의 비트 폭은 화상 표시 장치나 화상 인쇄 장치가 수취하는 비트 폭보다도 크고, 14비트이거나, 16비트이거나 한다. 이 비트 폭은, 후술하는 블렌드 합성을 행한 후, 후술하는 비선형 압축 처리 유닛에서, 화상 표시 장치나 화상 인쇄 장치가 수취할 수 있는 화상 데이터의 비트 폭으로 비선형 압축된다. 이 선형의 화소 데이터를 비선형 압축할 때에는, 예를 들면, 피사체 휘도에 대한 사람의 시감도(視感度)의 비선형의 특성에 맞추어서 비선형 압축하면 좋다.
블렌드 합성 유닛(206)은, 게인 연산 유닛(205)에 의해 게인 연산된 후의, 제1의 광전변환부(111)로부터의 출력 데이터와, 제2의 광전변환부(112)로부터의 출력 데이터를 블렌드하는 신호 처리를 행한다. 이 블렌드 처리는, 예를 들면 공지의 α블렌드 처리라도 좋다.
단위화소(20)에 포함되는 제3의 반도체 소자층(103)은, 화소 데이터 메모리이다. 이 화소 데이터 메모리는, 상기한 화소 제어 유닛의 사이에서 각 화소의 데이터의 기록/판독을 행하기 위한 화소 데이터 메모리, 및, 상기한 화소 신호 처리 유닛의 사이에서 각 화소의 데이의 기록/판독을 행하기 위한 화소 데이터 메모리를 구비한다. 보다 구체적으로는, 제3의 반도체 소자층(103)의 화소 데이터 메모리는, 노광 시간 메모리(211), 게인 연산(演算) 전(前) 화소 데이터 메모리(212), 게인 연산 후 화소 데이터 메모리(213), 및, 블렌드 후 와이드 D화소 데이터 메모리(214)를 구비한다.
노광 시간 메모리(211)는, 노광 시간 제어 유닛에서 제어의 결과 정하여진 각 화소의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 노광 시간의 기록/판독을 행하는 메모리이다. 게인 연산 전 화소 데이터 메모리(212)는, A/D 변환 유닛(204)에서의 A/D 변환된 각 화소의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 출력의 A/D 변환 결과의 기록/판독을 행하는 메모리이다. 게인 연산 후 화소 데이터 메모리(213)는, 게인 연산 유닛(205)에서의 게인 연산을 행한 후의, 각 화소의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 출력의 기록/판독을 행하는 메모리이다. 블렌드 후 와이드 D화소 데이터 메모리(214)는, 블렌드 합성 유닛(206)에서, 각 화소의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 출력을 블렌드 처리한 후의 데이터의 기록/판독을 행하는 메모리이다.
단위화소(20)의 촬영 동작의 결과 얻어진 출력은, 블렌드 후 와이드 D화소 데이터 메모리(214)에 기록되고, 도 34에 도시하는 제4의 반도체 소자층(104)에 의해 판독된다.
도 34를 이용한, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에 관한, 시스템 구성의 설명으로 되돌아온다. CMOS 이미지 센서(100)에 포함되는 제1, 제2, 제3의 반도체 소자층(101, 102, 103)에서는, 이들 3층에 걸처서 형성된 단위화소(20)가, 각 반도체 소자층의 표면과 평행하게 되는 면상에, 열방향 및 행방향의 2차원 어레이형상으로 배열되어 화소 어레이부(도 1의 화소 어레이부(11)에 상당)를 구성하고 있다.
이에 대해, CMOS 이미지 센서(100)에 포함되는 제4의 반도체 소자층(104)은, 상기한 화소 어레이부에 포함되는 복수개의 화소(20)로부터의 출력 결과를 집적하여, 1장의 화상을 만들어 내기 위한 프레임 신호 처리를 행하는 신호 처리 프로세서(또는, 신호 처리 회로)를 구비한다.
신호 처리 프로세서(또는, 신호 처리 회로)는, 비선형 압축 처리 유닛(221) 및 화상 신호 처리 유닛(222)을 서브유닛으로서 포함한다. 비선형 압축 처리 유닛(221)은, 화상 데이터의 비트 폭을 비선형으로 압축하는 처리를 행한다. 화상 신호 처리 유닛(222)은, 비선형 압축 이외의 화상 신호 처리, 예를 들면, noise reduction이나, 윤곽 강조나, 출력용 화상 데이터의 데이터량을 압축하기 위한 부호화 처리를 행한다.
CMOS 이미지 센서(100)에 포함되는 제5의 반도체 소자층(105)은, 상기한 신호 처리 프로세서(또는, 신호 처리 회로)가, 프레임 신호 처리의 사이에 사용하는 화상 데이터를 보존하기 위해, 및, 프레임 신호 처리의 결과 완성된 출력용의 화상 데이터를 보존하기 위한 프레임 메모리(231)를 구비한다. 제5의 반도체 소자층(105)은 또한 CMOS 이미지 센서(100)를 장치 외부와 외부 단자(106)를 통하여 접속한 입출력부(232)를 구비한다.
[시스템의 입체 구성]
다음에, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 시스템의 입체 구성에 관해, 도 37을 이용하여 설명한다. 도 37은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 시스템의 입체 구성을 도시하는 개략 사시도이다.
제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 시스템의 입체 구성은,
(1) 단위화소(20)가 제1, 제2, 제3의 반도체 소자층(101, 102, 103)의 3층에 걸처서 형성되고, 또한, 이들 3층에서, 복수개의 화소(20)가 2차원 어레이형상으로 배치되어 있는 것
(2) 제4의 반도체 소자층(104)에는, 프레임 신호 처리를 행하는 신호 처리 프로세서(또는, 신호 처리 회로)가 구비되는 것
(3) 제5의 반도체 소자층(105)에는, 프레임 메모리(231)가 구비되는 것을 특징으로 하고 있다. 도 37에는, 제1의 반도체 소자층(101), 제2의 반도체 소자층(102), 제3의 반도체 소자층(103), 제4의 반도체 소자층(104), 및, 제5의 반도체 소자층(105)을 입체적으로 도시하고 있다.
[단위화소의 평면 레이아웃]
다음에, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의 단위화소(20)의 평면 레이아웃에 관해, 도 38을 이용하여 설명한다. 도 38은, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의, 제1의 반도체 소자층(101)에서의 광전변환부와 화소 트랜지스터의 평면 레이아웃을 도시하는 레이아웃도이다. 여기서는, 단위화소(20)의 평면 레이아웃을 4화소분 나타내고 있다. 도 38에서, 파선이 단위화소(20)의 경계선을 나타내고 있다.
제1의 광전변환부(111)에 구비되는 제1의 포토 다이오드(PD1)의 주위에 배치된 큰 원은, CMOS 이미지 센서(100)의 광의 입사면에 배치된 제1의 온 칩 렌즈(301)의 외형을 나타내는 선이다. 제2의 광전변환부(112)에 구비되는 제2의 포토 다이오드(PD2)의 주위에 배치된 작은 원은, CMOS 이미지 센서(100)의 광의 입사면에 배치된 제2의 온 칩 렌즈(302)의 외형을 나타내는 선이다. 제1의 온 칩 렌즈(301) 및 제2의 온 칩 렌즈(302)는, 입사광을 집광하여 제1의 포토 다이오드(PD1) 및 제2의 포토 다이오드(PD2)에 광을 입사시킨다.
제1의 온 칩 렌즈(301) 및 제2의 온 칩 렌즈(302) 이외의 구성 요소에 관해서는, 도 35를 참조하여서의 설명에서, 이미 상세히 설명이 끝나 있기 때문에, 여기서의 설명은 생략한다.
[하나의 노광 기간 내의 어느 시점에서의 피사체 대(對) 휘도 평가]
다음에, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서, 단위화소(20)의 노광 시간을 화소마다 조정하는 기구를 구비함에 의해, 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 촬영할 때의, 하나의 노광 기간 내의 어느 시점에서의 피사체 대(對) 휘도 평가에 관해 설명한다.
도 39A, 도 39B에, 제7 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)가 화상으로서 촬영하는 피사체의 휘도 분포를 나타내는 히스토그램을 도시한다. 도 39A, 도 39B에는, 단위화소(20)가 출력하는 화상 데이터가, 예를 들면 14비트인 경우를 예로 하여 기재되어 있다. 도 39A, 도 39B에서, X축과 평행하게 기재된 속이 흰 화살표는, CMOS 이미지 센서(100)가, 본 개시의 기술의 특장(特長)인 간헐적인 구동(간헐구동)에 의한 와이드 다이내믹 레인지 촬영 기구를 이용하지 않고서, 계조성(階調性)을 갖고서 화상을 촬영할 수 있는 피사체의 휘도의 범위, 즉 다이내믹 레인지를 나타낸다.
도 39A에서, 피사체의 휘도 분포는, CMOS 이미지 센서(100)가 간헐구동을 이용하지 않고서 촬영할 수 있는 다이내믹 레인지보다도 넓다. 이와 같은 경우, 간헐구동을 이용하지 않고서 화상을 촬영할 때에는, 피사체의 휘도 분포 중에서 일부만을 계조성을 갖고서 촬영할 수 있도록 노광 시간을 설정할 수밖에 없다. 도 39A에서는, 그와 같은 노광 시간 설정의 한 예로서, 휘도(L1)의 피사체를, CMOS 이미지 센서(100)가 계조성을 갖고서 촬영할 수 있는 휘도 범위의 중앙이 되도록 노광 시간(T1)을 설정한 경우의 예를 도시하고 있다.
도 39A에 기재된 휘도(L1)의 피사체로부터는, 디지털 데이터로서 2047의 값이 출력된다. 그리고, 도 39A에 속이 흰 화살표로 기재된 다이내믹 레인지 하한이 되는 휘도의 피사체로부터는, 디지털 데이터로서 0의 값이 출력된다. 도 39A에 속이 흰 화살표로 기재된 다이내믹 레인지 상한이 되는 휘도의 피사체로부터는, 디지털 데이터로서 4095의 값이 출력된다.
본 개시의 기술의 특장인 간헐구동에 의한 와이드 다이내믹 레인지 촬영 기구를 이용하여 촬영을 행하는 경우, 상기한 방법으로 노광 시간(T1)을 설정하고 노광을 시작한 후, 노광 기간 중의 어느 시점에서, 단위화소(20)에 구비되는 피사체 휘도 평가 유닛(201)(도 34 참조 득)을 이용하여, 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을, 화소마다 평가한다. 예를 들면, 노광 시작 후, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서, 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을, 화소마다 평가한다.
앞서 기술한 바와 같이, 단위화소(20)는, 전하 축적부(118)로서, 축적할 수 있는 전하의 양이, 제2의 광전변환부(112)가 축적할 수 있는 전하의 양의 예를 들면 100배 정도 큰 전하 축적부를 구비하는 것이 특징이다. 즉, 단위화소(20)는, 제2의 광전변환부(112)에서 발생하는 전하의 대부분을, 전하 축적부(118)에 축적하는 구성으로 되어 있다.
그래서, 단위화소(20)에 구비되는 노광 시간 제어 유닛(202)(도 34 참조 득)은, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양의 평가 결과를 기초로 하여, 노광 시간(T1)의 종료 후의 전하의 양을, 화소마다 예측한다. 이에 의해, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 노광 시간(T1)의 종료 후, 각 단위화소(20)가 포화되어 있는지, 그렇지 않으면 포화되지 않고서 계조성을 갖고서 있는지를, 화소마다 예측한다.
그리고, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을 평가한 당해 노광 기간에서, 그 평가를 행한 시점부터 그 이후(先)가 되는 당해 노광 기간의 길이를, 상기한 예측 결과를 기초로 하여 설정한다.
도 40은, 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의한 전하량의 평가 내용과, 노광 시간 제어 유닛에 의한 노광 시간의 길이의 설정에 관한 설명도이다. 도 39A에 도시하는 피사체 휘도 분포의 히스토그램에서, 휘도(L1)가 된 피사체를 촬영하고 있는 화소는, 노광 시간(T1)이 되는 노광의 결과, 디지털 데이터로서 2047의 값이 출력된다.
이 때문에, 도 40에 기재와 같게, 단위화소(20)에 관해, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을 평가한 경우, 휘도(L1)가 되는 피사체를 촬영하고 있는 화소로부터는, 디지털 데이터로서 204의 값을 얻을 수 있다.
노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)의 전하의 양을 평가하여, 디지털 데이터로서 204의 값이 얻어진 화소는, 노광 시간(T1)의 종료 후, 디지털 데이터로서 약 2040의 값을 얻을 수 있다고 예측된다. 이 값은, 단위화소(20)가 14비트의 계조성을 갖고서 화소 데이터를 출력할 수 있는 다이내믹 레인지 내에 당연히 들어가 있다. 상기 평가의 결과, 노광 시간(T1)의 종료 후, 계조성을 갖는 데이터를 출력할 수 있다고 예측되는 화소는, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해, 노광 시간이 T1이 되도록 노광 동작이 제어된다.
마찬가지로 하여, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을 평가한 결과, 디지털 데이터로서 409의 값이 얻어진 화소는, 노광 시간(T1) 종료 후, 디지털 데이터로서 약 4090의 값을 얻을 수 있다고 예측되고, 14비트의 계조성을 갖고서 화소 데이터를 출력할 수 있는 다이내믹 레인지 내에 들어가 있다고 예측되기 때문에, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해, 간헐구동을 이용하지 않고, 실효적인 노광 시간이 T1이 되도록 노광 동작이 제어된다.
한편, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을 평가한 결과, 디지털 데이터로서 410부터 819의 값이 얻어진 화소는, 노광 시간(T1)의 종료 후, 디지털 데이터로서 4100으로부터 8190에 상당하는 노광량이 된다고 예측된다. 그리고, 14비트의 계조성을 갖고서 화소 데이터를 출력할 수 있는 다이내믹 레인지 내에 들어가지 않는다고 예측된다. 이 범위의 화소에 관해서는, T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 50%가 되도록, 제4의 전송 게이트부(116)가, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해, 간헐적으로 구동된다. 이 간헐적인 구동에 의해, 상기 화소로부터도 계조성을 구비한 화소 데이터를 얻을 수 있다.
또한 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 오버플로우하여 축적되어 있는 전하의 양을 평가한 결과, 디지털 데이터로서 820 이상의 값이 얻어진 화소는, 노광 시간(T1)의 종료 후, 디지털 데이터로서 8200에 상당하는 노광량이 된다고 예측된다. 그리고, 14비트의 계조성을 갖고서 화소 데이터를 출력할 수 있는 다이내믹 레인지 내에 들어가지 않는다고 예측된다. 이 범위의 화소에 관해서는, T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 25%가 되도록, 제4의 전송 게이트부(116)가, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해 간헐적으로 구동된다. 이 간헐적인 구동에 의해, 상기 화소 중 디지털 데이터로서 820 이상 1638 이하의 값으로 되어 있던 화소로부터는, 계조성을 구비한 화소 데이터를 얻을 수 있다.
도 39B에서, 위에서 기술한 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의한 전하량의 평가와, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의한 간헐적인 구동을 이용한 결과, 계조성을 갖고서 화상을 촬영할 수 있는 피사체의 휘도의 범위, 즉 다이내믹 레인지를, X축과 평행하게 배치한 속이 흰 화살표에 의해 나타내고 있다. 도 39A와 비교하고, 다이내믹 레인지가 확대하여 있음을 알 수 있다.
도 41A, 도 41B는, 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의한 상기 전하량의 평가 결과에 의거하여, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해 노광 시간의 길이가 설정된 결과를 도시하는 도면이다. 여기서는, 노광 기간(T1)으로 노광하는 예정이었던 각 화소에서, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하 축적부(118)에 축적되어 있는 전하의 양의 평가 결과에 의거하여, 노광 시간 제어 유닛(202)이 간헐구동을 행함으로써, 노광 기간(T1) 내에서의 실효적인 노광 시간을 화소마다 변경한 결과를 도시하고 있다.
도 41A, 도 41B에 기재된 화상 내에서, 평균적인 피사체의 휘도로 되어 있는 지면(401)을 촬영한 영역은, 노광 시작 전에 설정된 노광 시간(T1)인 채로 노광된 것을 나타내고 있다.
한편, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서의 전하량의 평가의 결과가, 노광 시간(T1)으로 노광한다면 계조성을 갖고서 화소 데이터를 출력할 수 있는 다이내믹 레인지 내에 들어가지 않는다고 예측된 경우는, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의한 간헐구동이 행하여진다.
구체적으로는, T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 50%가 되도록 간헐구동을 행함으로써, 계조성을 구비한 화소 데이터를 얻을 수 있다고 예측되는 하늘(402)의 영역을 촬영한 영역에 관해서는, T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 50%가 되도록 간헐구동되어 노광된다.
또한 T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 25%가 되도록 간헐구동을 행함으로써, 계조성을 구비한 화소 데이터를 얻을 수 있다고 예측되는 태양(403)의 영역을 촬영한 영역에 관해서는, T1의 노광 기간 중, 실효적인 노광 시간이 T1의 25%가 되도록 간헐구동되어 노광된다.
[화소 데이터의 분석 및 촬상 조건의 제어]
또한, 화소의 포화 레벨을 평가하여, 포화되어 있는 화소의 노광 시간을 짧게 하는 제어를, 상기 평가한 화상의 다음의 프레임에서 반영시키는 기술이 알려져 있다. 그러나, 예를 들면, 촬상 장치를 자동차 등의 이동 수단에 탑재하여 이동하면서 노광을 행하는 경우를 상정하면, 다음과 같은 문제가 생길 수 있다. 즉, 특정한 화소의 포화의 상황을 평가하여 그 평가 결과를 다음의 프레임의 제어에 반영시켜도, 다음의 프레임에서는 피사체의 위치가 이동하여 버리고 있기 때문에, 포화를 평가한 피사체와는 다른 피사체에 대해, 당해 포화에 의거한 노광 시간 제어를 행하여 버린다는 문제가 생길 수 있다.
이에 대해, 본 실시 형태는, 하나의 노광 기간 중의 어느 시점에서의 피사체의 휘도를 평가하고, 이 평가 결과에 의거하여, 당해 노광 기간에서의, 상기 평가 시점부터 그 이후(先)의 노광 기간의 길이를 제어한다라는 것이다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 휘도의 평가와 노광 기간의 제어가 하나의 노광 기간 중, 즉 하나의 프레임 노광 중에 행하여지기 때문에, 상술한 기존의 기술보다도, 신속하게 노광 제어를 행하는 것이 가능하다. 이에 의해, 피사체가 이동하고 있는 경우에도, 상술한 기존의 기술보다도 피사체의 휘도를 적정하게 조정하여 적정한 화상을 얻을 수 있다라는 작용 효과를 얻을 수 있다.
상술한 것에 관해, 자동차에 탑재하는 촬상 장치의 경우를 예로 들어, 도 42 및 도 43을 이용하여 보다 구체적으로 설명한다.
예를 들면, 자동차에 탑재하는 촬상 장치인 경우, 주행하는 자동차에 탑재된 촬상 장치가 동화로 촬영하는 피사체는 항상 이동하고 있다. 촬상 장치는, 동화의 어느 프레임(제1의 프레임)에서 촬영한 화상을 화소마다 분석하여 화소마다 적절한 촬영 조건을 구하고, 그 구한 촬영 조건을 상기 분석의 대상으로 한 제1의 프레임의 다음의 프레임이 되는 제2의 프레임에 화소마다 피드백한다. 그러나, 제2의 프레임에서 촬영되는 피사체는, 도 42에 도시하는 바와 같이, 프레임 내의 모든 화소에서, 제1의 프레임과 다른 것으로 되어 있다. 이 때문에, 제2의 프레임에 피드백된 촬영 조건은, 제2의 프레임에서 촬영되는 피사체에 있어서 반드시 적절한 것은 아니다.
이에 대해, 제7의 실시 형태에서는, 도 43에 도시하는 바와 같이, 촬상 장치는, 동화의 어느 프레임(제1의 프레임)에서 전화소 동시에 노광을 시작하고, 노광 기간의 중의 일정한 기간이 경과한 시점에서, 그때까지의 기간에서 각 화소가 촬영한 화소 데이터를 화소마다 분석한다. 그리고, 촬상 장치는, 당해 노광 기간에서의 일정한 기간이 경과한 시점부터 시점부터 그 이후(先)의 노광 기간의 촬영 조건으로서 적절한 촬영 조건을 구하고, 이 구한 촬영 조건을, 당해 노광 기간에서의 상기한 이후(先)의 노광 기간의 촬영 조건으로서 피드백한다. 이에 의해, 피사체가 이동하고 있는 경우에도, 간헐구동을 이용하지 않는 기존의 기술보다도 피사체의 휘도를 적정하게 조정하여 적정한 화상을 얻을 수 있다.
[노광 시간의 제어 플로우]
다음에, 노광 시간의 제어의 흐름에 관해, 도 44를 이용하여 설명한다. 도 44는, 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의한 전하량의 평가와, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의한 간헐적인 구동의 설정에 관한 처리의 흐름을 도시하는 플로우 차트이다.
우선, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 노광 시간을 설정한다(스텝 S21). 구체적으로는, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 계조 재현하고 싶는 피사체 휘도 범위의 중앙치(휘도(L1))의 피사체를 노광하여, 포화 화소 데이터(Ds)의 50%의 값(Dh)을 얻도록 노광 시간(T1)을 설정한다. 그리고, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 이 설정한 노광 시간(T1)으로 노광을 시작한다(스텝 S22).
노광 시작 후 T1/10의 시간이 경과하면(스텝 S23), 피사체 휘도 평가 유닛(201)은, T1/10의 동안에 전하 축적부(118)에 오버플로우한 전하에 의한 전압(Vo)을 평가하고(스텝 S24), A/D 변환 유닛(204)(도 34 참조)에서 A/D 변환 가능한 입력 전압의 최대치(Vomax)에 계수를 건 값에 대한 대소 관계의 판정(비교 판정)을 행한다(스텝 S25). 최대치(Vomax)는, 도 40과의 대응에서는, A/D 변환에 의해 얻어지는 최대치 4095에 상당하는 디지털 데이터를 얻을 수 있는 입력 전압이 된다.
스텝 S25에서는, (1) Vo≤Vomax/10, (2) Vomax/10<Vo≤Vomax/5, (3) Vomax/5<Vo의 판정이 행하여진다. 여기서, Vomax/10은, 도 40과의 대응에서는, 간헐구동을 행하지 않아도 노광 기간(T1)의 종료 후에 계조성을 갖는 데이터를 출력할 수 있다는 판정의 임계치가 되는 409에 상당하는 디지털 데이터를 얻을 수 있는 입력 전압이 된다. Vomax/5는, 도 40과의 대응에서는, 50% 간헐구동을 행하면 노광 기간(T1) 종료 후에 계조성을 갖는 데이터를 출력할 수 있다는 판정의 임계치가 되는 819에 상당하는 디지털 데이터를 얻을 수 있는 입력 전압이 된다.
화소 동작 제어 유닛(203)은, 스텝 S25에서의 판정 결과에 응하여, 제4의 전송 게이트부(116)를 구동하는, 펄스 신호인 전송 신호(TG2)의 듀티비를 제어한다. 구체적으로는, 판정 결과가 (1) Vo≤Vomax인 경우, 당해 노광 기간의 나머지 T1×9/10의 동안에서, 전송 신호(TG2)를 듀티비 100%로 구동한다(스텝 S26). 판정 결과가 (2) Vomax/10<Vo≤Vomax/5인 경우, 당해 노광 기간의 나머지 T1×9/10의 동안에서, 전송 신호(TG2)를 듀티비 50%로 구동한다(스텝 S27). (3) Vomax/5<Vo인 경우, 당해 노광 기간의 나머지 T1×9/10의 동안에서, 전송 신호(TG2)를 듀티비 25%로 구동한다(스텝 S28).
이하에, 단위화소(20)에 구비되는 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 노광 시간의 제어에 관해, 보다 구체적으로 설명한다.
(듀티비=100%로 노광을 계속하는 경우)
우선, 듀티비=100%로 노광을 계속하는 경우에 관해 도 45를 이용하여 설명한다. 도 45는, 듀티비=100%인 경우의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도이다. 도 45에는, 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의한 평가의 결과, 간헐구동을 이용하지 않고 실효적인 노광 시간이 T1이 되도록 노광 동작을 행하여도 계조성을 갖는 화소 데이터를 얻을 수 있다라고 예측된 화소의 구동례를 도시하고 있다.
제1의 광전변환부(111)의 노광 동작은, 제1의 전송 게이트부(113)를 구동하는 전송 신호(TG1) 및 제1 배출 게이트부(117)를 구동하는 구동 신호(OFG1)에 의해 제어된다. 노광 시작 전, 구동 신호(OFG1)가 액티브 상태에서는, 제1의 광전변환부(111)는, 제1 배출 게이트부(117)의 앞(先)에 접속된 오버폴로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))에 접속된 상태에서, 포토 다이오드(PD1) 내의 전하가 전부 배출된 상태로 되어 있다.
그리고, 구동 신호(OFG1)가 비액티브 상태가 됨으로써, 제1의 광전변환부(111)에서 광전변환의 결과 생긴 전하의 축적이 시작되는, 환언하면 노광 동작이 시작된다. 노광 시간(T1)의 경과 후, 전송 신호(TG1)가 액티브 상태가 되어, 노광 기간 중에 제1의 광전변환부(111)에 축적된 전하가, 플로팅 디퓨전으로 전송된다. 이에 의해, 제1의 광전변환부(111)의 1회의 노광 동작이 종료된다.
제2의 광전변환부(112)의 노광 동작은, 제4의 전송 게이트부(116)를 구동하는 전송 신호(TG2) 및 제2 배출 게이트부(119)를 구동하는 구동 신호(OFG2)에 의해 제어된다. 전송 신호(TG2)가 0V의 상태에서는, 제4의 전송 게이트부(116)의 채널 영역에 형성된 오버플로우 패스를 경유하여, 제2의 광전변환부(112)로부터 전하 축적부(118)로 전하가 오버플로우로할 수 있는 상태가 된다.
전송 신호(TG2)가 부바이어스(Vgn)인 상태에서는, 이 오버플로우 패스가 닫혀지고, 제2의 광전변환부(112)로부터 전하 축적부(118)에 전하가 오버플로우할 수 없는 상태로 되어 있다. 전송 신호(TG2)가 정바이어스(Vgp)인 상태에서는, 제2의 광전변환부(112)에 광전변환의 결과 축적된 전하가 전부, 전하 축적부(118)로 전송된다.
노광 시작 전, 전송 신호(TG2)가 액티브 상태에 있을 때는, 제2의 광전변환부(112)는, 제2 배출 게이트부(119)의 앞(先)에 접속된 오버폴로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))에 접속된 상태에서, 포토 다이오드(PD2) 내의 전하가 전부 배출된 상태로 되어 있다.
전송 신호(TG2)가 비액티브 상태가 됨으로써, 제2의 광전변환부(112)에서 광전변환의 결과 생긴 전하의 축적이 시작되는, 환언하면 노광 동작이 시작된다. 노광 기간 중, 전송 신호(TG2)는 0V로 되어 있다. 이에 의해, 노광 기간 중, 제2의 광전변환부(112)로부터 넘친 전하는, 제4의 전송 게이트부(116)의 오버플로우 패스를 경유하여 전하 축적부(118)로 오버플로우한다. 노광 시간(T1)의 경과 후, 전송 신호(TG2)가 액티브 상태가 되어, 노광 기간 중에 제2의 광전변환부(112)에 축적된 전하가, 전하 축적부(118)로 전송된다. 이에 의해, 제2의 광전변환부(112)의 1회의 노광 동작이 종료된다.
여기서, 제1의 광전변환부(111)의 노광 동작과, 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작이, 같은 타이밍에서 시작되고, 같은 기간 노광 동작을 행하고, 같은 타이밍에서 종료하고 있다. 이 동작은, 이하와 같은 작용, 효과를 가져온다.
즉, 제1의 광전변환부(111)로부터 출력되는 화상 데이터와, 제2의 광전변환부(112)로부터 출력되는 화상 데이터는, 각 화소에 구비되는 블렌드 합성 유닛(206)에 의해, 화소마다 블렌드 처리가 행하여지고, 결과로서, 1장의 화상 데이터가 만들어진다.
여기서, 촬영 대상이 되는 피사체가 노광 기간 중에도 이동하고 있는 동피사체인 경우, 또는, CMOS 이미지 센서(100)가, 자동차 등의 이동 수단에 탑재되어 이동하면서 노광을 행하는 경우를 생각한다. 이때, 제1의 광전변환부(111)의 노광 동작이 행하여지는 노광 기간과, 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작이 행하여지는 노광 기간이 일치하지 않으면, 제1의 광전변환부(111)로부터 얻어지는 화상에 찍혀 있는 피사체의 위치와, 제2의 광전변환부(112)로부터 얻어지는 화상에 찍혀 있는 피사체의 위치가 어긋나 있는 경우가 있다. 피사체의 위치가 어긋나 있는 화상을 블렌드 합성하면, 피사체의 윤곽의 선예도가 저하된 화상이 만들어져 버릴 가능성이 있다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는, 도 45의 타이밍 파형도에 도시하는 바와 같이, 제1의 광전변환부(111)의 노광 동작이 행하여지는 노광 기간과, 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작이 행하여지는 노광 기간을 일치시켜서 노광을 행하도록 하고 있다. 이에 의해, 제1의 광전변환부(111)로부터 얻어지는 화상에 찍혀 있는 피사체의 위치와, 제2의 광전변환부(112)로부터 얻어지는 화상에 찍혀 있는 피사체의 위치가 일치하기 때문에, 이들의 화상을 블렌드 합성하면, 피사체의 윤곽의 선예도가 높은 화상을 얻을 수 있다.
(듀티비=50%의 간헐구동에 의한 노광을 행하는 경우)
다음에, 듀티비=50%로 노광을 계속하는 경우에 관해 도 46을 이용하여 설명한다. 도 46은, 듀티비=50%인 경우의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도이다.
제1의 광전변환부(111)의 노광 동작에 관해서는, 도 45의 타이밍 파형도에 의거한 동작과 같다. 따라서, 여기서는 그 동작의 설명을 생략한다.
노광 시작 전, 구동 신호(OFG2)가 액티브 상태에 있을 때는, 제2의 광전변환부(112)는, 제2 배출 게이트부(119)의 앞(先)에 접속된 오버폴로우 드레인(예를 들면, 전원(VDD))에 접속된 상태에서, 포토 다이오드(PD2) 내의 전하가 전부 배출된 상태로 되어 있다. 구동 신호(OFG2)가 비액티브 상태가 됨으로써, 제2의 광전변환부(112)에서 광전변환의 결과 생긴 전하의 축적이 시작되는, 환언하면 노광 동작이 시작된다.
노광 시작 후, 노광 기간(T1)의 1/10의 시간이 경과한 시점에서, 피사체 휘도 평가 유닛(201)에 의해 전하 축적부(118)에 축적된 전하량이 평가되고, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의해 50%의 간헐구동에 의한 노광 동작이 시작된다.
50%의 간헐구동에 의한 노광 동작은, 이하와 같이 행하여진다. 즉, 노광 기간(T1)이 복수개의 서브 노광 기간으로 분할된다. 분할수는 극단적으로 적은(예를 들면, 2개)것보다도 많은(예를 들면, 10개 이상) 편이, 이동하고 있는 피사체를 촬영할 때에, 이동하는 피사체를 노광 시간은 짧은 것이지만 축차적으로(逐次) 적확(的確)하게 파악하여 노광을 할 수가 있기 때문에 바람직하다.
분할한 각 서브 노광 기간에서, 50%의 간헐구동이 되는 동안은, 전송 신호(TG2) 및 구동 신호(OFG2)의 쌍방을 0V로 한다. 이 경우, 이 기간 중에 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우하는 전하는, 제4의 전송 게이트부(116)에 구비되는 오버플로우 패스를 경유하여 전하 축적부(118)로 오버플로우한다. 즉, 이 기간 중에 제2의 광전변환부(112)에서 광전변환의 결과 발생한 전하는, 전하 축적부(118)에 축적되고, 노광 기간 종료 후, 화소 데이터로서 출력된다.
한편, 분할한 각 서브 노광 기간에서, 나머지 50%가 되는 동안은, 전송 신호(TG2)를 부바이어스(Vgn), 구동 신호(OFG2)를 0V로 한다. 이 경우, 이 기간 중에 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우하는 전하는, 제2 배출 게이트부(119)에 구비되는 오버플로우 패스를 경유하여 오버플로우 드레인으로 배출된다. 이 기간 중에 제2의 광전변환부(112)에서 광전변환의 결과 발생한 전하가 배출됨에 의해, 전하 축적부(118)가 포화되기 어려워지기 때문에, 계조성을 갖는 화상 데이터를 얻을 수 있는 범위, 즉 다이내믹 레인지가 확대한다는 작용, 효과를 얻을 수 있다.
또한 도 46의 타이밍 파형도에 의거한 동작에서도, 도 45의 타이밍 파형도에 의거한 동작과 마찬가지로, 제1의 광전변환부(111)의 노광 동작과, 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작이, 같은 타이밍에서 시작되고, 같은 기간 노광 동작을 행하고, 같은 타이밍에서 종료하고 있다. 이에 의해, 제1의 광전변환부(111)와 제2의 광전변환부(112)에 의해, 이동하고 있는 피사체를 촬영하여 양자를 블렌드 합성한 경우, 양자의 화상에서의 피사체의 위치가 일치하고 있기 때문에 선예도가 높은 화상을 얻을 수 있다.
(듀티비=25%의 간헐구동에 의한 노광을 행하는 경우)
다음에, 듀티비=25%로 노광을 계속하는 경우에 관해 도 47을 이용하여 설명한다. 도 47은, 듀티비=25%인 경우의 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 노광 시간의 제어에 관한 타이밍 파형도이다.
제1의 광전변환부(111)의 노광 동작에 관해서는, 도 45의 타이밍 파형도에 의거한 동작과 같다. 따라서, 여기서는 그 동작의 설명을 생략한다.
제2의 광전변환부(112)의 노광 동작에 관해서는, 노광 기간(T1)이 복수개의 서브 노광 기간으로 분할되고, 분할된 각 서브 노광 기간에서, 25%의 간헐구동이 되는 동안은, 전송 신호(TG2) 및 구동 신호(OFG2)의 쌍방을 0V로 한다. 그리고, 나머지 75%가 되는 동안은, 전송 신호(TG2)를 부바이어스(Vgn), 구동 신호(OFG2)를 0V로 한다. 그 이외는, 도 46의 타이밍 파형도에 의거한 동작과 같다.
(노광 동작에 의해 얻어지는 제1, 제2의 광전변환부의 출력에 관해)
여기서, 노광 동작에 의해 얻어지는 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 출력에 관해, 도 48을 이용하여 설명한다. 도 48은, 제1의 광전변환부(111)와 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면이다. 도 48에서, 횡축은 단위화소(20)에 의해 촬영되는 피사체의 휘도, 종축은 단위화소(20)의 플로팅 디퓨전(FD)으로부터 A/D 변환 유닛(204)에 출력되는 전압, 환언하면 A/D 변환 유닛(204)로부터 출력된 디지털 데이터에 상당하는 값이다.
이미 기술한 바와 같이, 제1의 광전변환부(111)는, 제2의 광전변환부(112)보다도, 포토 다이오드의 수광면적이 크다. 이 때문에, 제1의 광전변환부(111) 및 제2의 광전변환부(112)의 쌍방에 관해, 같은 시간만큼 광전변환 동작을 행한 경우, 제1의 광전변환부(111)는, 제2의 광전변환부(112)보다도 많은 신호 전하를 얻을 수 있다. 환언하면, 제1의 광전변환부(111)는, 감도가 높은 한편으로 포화되기 쉽고, 다이내믹 레인지가 작은 광전변환부로 되어 있다.
이에 대해, 제2의 광전변환부(112)는, 제1의 광전변환부(111)보다도 얻어지는 신호 전하가 적다, 환언하면 감도가 낮은 한편으로 포화되기 어렵고 다이내믹 레인지가 큰 광전변환부로 되어 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 제2의 광전변환부(112)에 관해, 신호 전하를 축적하는 전하 축적부(118)를 보다 포화되기 어렵게 하여 다이내믹 레인지를 보다 확대하는 수법으로서, 간헐구동을 이용하고 있다.
도 48에서, 1점 쇄선이, 제1의 광전변환부(111)에서의, 피사체 휘도에 대한 출력 특성을 나타내고 있다. 또한, 도 48에서, 경사가 다른 3개의 실선 중, 가장 경사가 큰 실선은, 간헐구동을 행하지 않은 경우(환언하면, 듀티비가 100%가 되는 간헐구동을 행한 경우)의 제2의 광전변환부(112)에서, 피사체 휘도에 대한 출력 특성을 나타내고 있다.
경사가 다른 3개의 실선 중, 다음으로 경사가 큰 실선은, 듀티비가 50%가 되는 간헐구동을 행한 경우의 제2의 광전변환부(112)에서, 피사체 휘도에 대한 출력 특성을 나타내고 있다. 경사가 다른 3개의 실선 중, 가장 경사가 작은 실선은, 듀티비가 25%가 되는 간헐구동을 행한 경우의 제2의 광전변환부(112)에서, 피사체 휘도에 대한 출력 특성을 나타내고 있다.
도 48에는, X축에 평행하게, 노이즈 레벨도 모식적으로 나타내고 있다. 도 48으로부터 알 수 있는 바와 같이, 간헐구동을 도입함에 의해, 제2의 광전변환부(112)의 다이내믹 레인지를 확대하는 작용, 효과가 얻어져 있다. 한편, 간헐구동을 행하면, 도 48에 기재된 출력 특성의 경사가 작아진다. 환언하면, 간헐구동을 도입하고, 그 듀티비를 내릴수록, 다이내믹 레인지는 확대하는 한편, 어느 휘도의 피사체를 촬영하는 경우에는, 간헐구동을 도입하고, 그 듀티비를 내릴수록, 얻어지는 신호의 값이 작아지는, 즉, S/N이 저하된다. 피사체 휘도가 작을수록, 원래의 신호의 크기가 작기 때문에, 이 S/N의 저하의 영향이 커진다.
이 문제를 해결하기 위해, 본 실시 형태에서는, 간헐구동을 도입하여 듀티비를 내린 화상 그 자체를 출력하는 것은 아니고, 다음과 같은 구성을 채택하고 있다. 즉, 감도가 높고 S/N이 우수한 제1의 광전변환부(111)를 각 화소에 아울러서 구비하고, 간헐구동을 도입하여 다이내믹 레인지를 확대한 제2의 광전변환부(112)로부터 얻은 화상과, S/N이 우수한 제1의 광전변환부(111)로부터 얻은 화상을 블렌드 합성하여 출력한다라는 구성을 채택하고 있다.
인간의 시감도는, 휘도가 높은 피사체보다도, 휘도가 낮은 피사체에 대해 높다. 따라서, 간헐구동을 도입하여 다이내믹 레인지를 확대한 제2의 광전변환부(112)로부터 얻은 화상 그 자체를 출력하는 것은 아니고, 감도가 높고 S/N이 우수한 제1의 광전변환부(111)로부터 얻은 화상과 블렌드 합성한 화상을 출력하도록 하고 있다. 이에 의해, 본 실시 형태에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에 의하면, 다이내믹 레인지 및 S/N의 쌍방에 우수하고, 인간의 눈이 감지할 수 있는 노이즈를 저감한 화상을 취득한다라는 우수한 작용, 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제1의 광전변환부(111)로부터 얻은 화상과, 제2의 광전변환부(112)로부터 얻은 화상을 블렌드 합성하기 위해, 블렌드 합성하기 전에, 다음의 처리를 행하고 있다. 즉, 피사체 휘도에 대한 제2의 광전변환부(112)의 출력 특성의 경사를, 피사체 휘도에 대한 제1의 광전변환부(111)의 출력 특성의 경사와 같게 되도록, 게인을 거는 처리를 행하고 있다. 구체적으로는, 도 34에 도시하는 바와 같이, 단위화소(20)는, 화소마다 게인 연산 유닛(205)을 구비하고 있다.
게인 연산 유닛(205)은, 제1의 광전변환부(111)와 제2의 광전변환부(112)의 감도의 차에 기인한 출력 특성의 경사의 차와, 화소마다의 노광 시간의 차이에 의한 출력 특성의 차의, 각각에 응한 게인을 화소마다 거는 처리를 행한다. 이 처리에 의해, 피사체 휘도에 대한 제2의 광전변환부(112)의 출력 특성의 경사를, 피사체 휘도에 대한 제1의 광전변환부(111)의 출력 특성의 경사와 같게 한다.
도 48에 기재된 파선이, 게인을 건 후의, 피사체 휘도에 대한 제2의 광전변환부(112)의 출력 특성을 나타내고 있다. 파선으로 나타내는 출력 특성의 경사는, 피사체 휘도에 대한 제1의 광전변환부(111)의 출력 특성에 일치시키고 있다. 이에 의해, 제1의 광전변환부(111)와 제2의 광전변환부(112)의 감도의 차나 노광 시간의 차가 있어도, 블렌드 후에는 이들의 차가 해소된 블렌드 화상을 얻을 수 있다라는 작용, 효과가 초래된다.
[제7 실시 형태의 변형례 1]
제7 실시 형태의 변형례 1은, 제2의 반도체 소자층(102)에 형성한 하나의 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛이, 복수개의 단위화소(20)의 제어와 신호 처리를 담당하는 예이다. 제7 실시 형태의 변형례 1에 관한 CMOS 이미지 센서(100)의 시스템의 입체 구성을 도 49에 도시한다.
제7 실시 형태에서는, 제2의 반도체 소자층에 형성한 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛이, 단위화소(20)마다 구비되는 구성으로 되어 있다. 이에 대해, 제7 실시 형태의 변형례 1에서는, 제2의 반도체 소자층에 형성한 하나의 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛이, 복수개의 화소(20)를 단위로 하여 제어와 신호 처리를 담당하는 구성으로 되어 있다. 이에 수반하여, 제3의 반도체 소자층(103)에 형성한 메모리도, 복수개의 단위화소(20)의 제어와 신호 처리를 담당하는 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛에 대응하여 구비되는 구성으로 되어 있다.
상술한 제7 실시 형태의 변형례 1에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에 의하면, 하나의 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛의 면적을 크게 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 화소 제어 유닛 및 화소 신호 처리 유닛에 보다 많은 트랜지스터를 탑재할 수 있기 때문에, 더욱 고도의 기능을 실현하는 것이 가능해진다라는 작용, 효과가 초래된다.
[제7 실시 형태의 변형례 2]
제7 실시 형태의 변형례 2는, 단위화소(20)가 광전변환부를 1개 갖는 예이다. 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의 단위화소(20)의 내부 구성도를 도 50에 도시한다.
도 50에 도시하는 바와 같이, 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소(20)는, 광전변환부로서, 도 35에 기재된 제1의 광전변환부(111)를 생략하고, 제2의 광전변환부(112)만을 구비하고 있다. 제2의 광전변환부(112) 및 그 주변의 구성에 관해서는, 도 35에 기재된 단위화소(20)와 같다.
즉, 제2의 광전변환부(112), 오버플로우 패스를 구비한 제4의 전송 게이트부(116), 전하 축적부(118), 배출 게이트부(119), 및, 제2의 반도체 소자층(102)에 형성된, 전하량 평가부로서의 피사체 휘도 평가 유닛(201), 및, 노광 시간 제어부로서의 노광 시간 제어 유닛(202)을 구비한다. 전하 축적부(118)는, 제2의 광전변환부(112)에 축적할 수 있는 전하보다도 많은 전하(예를 들면, 제2의 광전변환부(112)에 축적할 수 있는 전하의 100배의 양의 전하)를 축적할 수 있다.
상기한 구성의 제7 실시 형태의 변형례 2에 관한 단위화소(20)에서는, 제2의 광전변환부(112)에 관해, 다이내믹 레인지 확대를 위한 간헐구동을, 제7 실시 형태로 설명한 간헐구동과 마찬가지로 행할 수 있다. 제2의 광전변환부(112)로부터 오버플로우하는 전하를 평가한 방법과, 제2의 광전변환부를 간헐구동하는 방법은, 제7 실시 형태의 경우와 같기 때문에, 그 설명은 생략한다.
제7 실시 형태의 변형례 2에서, 노광 동작에 의해 얻어지는 제2의 광전변환부(112)의 출력에 관해, 도 51을 이용하여 설명한다. 도 51은, 제2의 광전변환부(112)의 노광 동작에 의해 얻어지는 출력 전압을 플롯한 도면이다.
변형례 2는, 제7 실시 형태와 마찬가지로, 피사체의 휘도에 응하여 화소마다 노광을 간헐 동작시켜서 다이내믹 레인지가 높은 화상을 얻는 기구를 구비하고 있다. 화소마다 다른 시간에 촬영한 화상을 출력하기 전에, 노광 시간의 차를 해소하기 위한 게인 연산을 행한다. 도 48과 마찬가지로 도 51에 기재된 실선이, 간헐구동을 100%, 50%, 25%의 듀티비로 행한 경우의 출력 특성을 나타내고 있다. 이 출력 특성에 대해, 화소마다 상기 게인 연산을 행하고, 도 51의 파선으로 기재한 바와 같이, 간헐구동의 듀티비에 의하지 않고서 출력 특성의 경사를 같게 한 게인 연산을 행하여, 연산 후의 화상을 출력한다.
[제7 실시 형태의 변형례 3]
제7 실시 형태의 변형례 3은, 피사체 휘도에 응하여 , 화소마다 전하 축적부의 용량의 크기를 바꾸는 예이다. 제7 실시 형태의 변형례 3에 관한 CMOS 이미지 센서(100)에서의 단위화소(20)의 내부 구성도를 도 52에 도시한다.
변형례 3도, 제7 실시 형태와 마찬가지로, 하나의 단위화소(20)는, 제1, 제2, 제3의 반도체 소자층(101, 102, 103)에 걸처서 형성되어 있다. 그리고, 이들의 각 반도체 소자층(101, 102, 103)에서, 복수개의 단위화소(20)가, 열방향 및 행방향의 2차원 어레이형상으로 배열되어 있다.
도 52에 기재된 변형례 3에서, 단위화소(20)는, 전하 축적부(118)의 용량의 크기를, 화소마다 변경하는 기구를 구비한다. 구체적으로는, 전하 축적부(118)는, 복수개의 전하 축적부, 예를 들면 3개의 전하 축적부(1181, 1182, 1183)로 이루어진다. 이들 3개의 전하 축적부(1181, 1182, 1183)는, 각각의 사이에 배치되는 전송 게이트부(1201, 1202, 1203)를 통하여 병렬로 접속되어 있다.
전하 축적부(118)의 용량으로서, 큰 용량이 필요해지는 경우는, 이들 전송 게이트부(1201, 1202, 1203)를 도통 상태로 하고, 3개의 전하 축적부(1181, 1182, 1183)를 병렬로 접속하여 용량의 크기를 크게 한다. 필요하게 되는 용량의 크기가 작은 경우는, 전하 축적부(1181, 1182, 1183)의 사이의 전송 게이트부(1201, 1202, 1203)를 비도통 상태로 하고, 용량을 절리(切離)한다.
전송 게이트부(1201, 1202, 1203)의 도통/비도통의 제어는, 노광 시간 제어 유닛(202)에 의한 제어하에 행하여진다. 즉, 노광 시간 제어 유닛(202)은, 전하 축적부(118)의 용량의 크기를 제어하는 용량 제어 유닛으로서의 기능도 갖는다.
선술한 제7 실시형에서는, 단위화소(20)가, 노광 기간 중의 어느 시점에서, 그때까지의 기간에 전하 축적부(118)에 축적된 전하의 양을, 피사체 휘도 평가 유닛(201)을 이용하여 평가하여, 피사체의 휘도의 대소에 응하여, 그 이후(先)의 노광 기간의 길이를 제어하고 있다.
변형례 3에서는, 단위화소(20)가, 노광 기간 중의 어느 시점에서, 그때까지의 기간에 전하 축적부(118)에 축적된 전하의 양을, 피사체 휘도 평가 유닛(201)을 이용하여 평가하여, 피사체의 휘도의 대소에 응하여, 단위화소(20)에 구비되는 전하 축적부(118)의 용량의 크기를 화소마다 바꾼다라는 제어가 행하여진다.
피사체의 휘도가 높은 경우는, 전하 축적부(118)가 포화되는 것을 회피하고, 계조성이 있는 데이터를 얻기 위해, 전하 축적부(118)의 용량의 값은 큰 편이 좋다. 단, 광전변환 동작의 결과 얻어진 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하여 전하 전압 변환하는 경우, 전하 축적부(118)의 용량이 클수록, 플로팅 디퓨전(FD)의 출력 전압이 작아지는, 즉 감도가 낮아진다.
그래서, 변형례 3에서는, 전하 축적부(118)가 포화되지 않는다고 예상되는 경우에는, 전하 축적부(118)의 용량의 크기를 작게 하는 제어를 행함에 의해, 플로팅 디퓨전(FD)으로부터 감도가 높은 출력을 얻는다. 전하 축적부(118)의 용량으로서, 큰 용량이 필요로 되지 않는 것은, 피사체의 휘도가 낮은 경우이다. 도 49의 출력 특성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 피사체의 휘도가 낮은 경우는, 피사체의 휘도가 높은 경우보다도, 원래의 신호가 작기 때문에, 사체의 휘도가 높은 경우보다도 S/N이 뒤떨어진다.
한편, 인간의 시감도는, 휘도가 높은 피사체보다도, 휘도가 낮은 피사체에서 높다. 인간의 시감도가 높음에도 불구하고, 원래 신호가 작고 S/N이 뒤떨어지는, 휘도가 작은 피사체를 촬영하는 화소에 있어서, 변형례 3은, 단위화소(20)에서 이용한 전하 축적부(118)의 용량을 작게 함에 의해 S/N을 개선한다라는 작용 효과를 가져온다.
[제7 실시 형태의 변형례 4]
제7 실시 형태의 변형례 4는, (1) 제7 실시 형태에 구비되는, 피사체의 휘도를 평가하여 그 결과에 응하여 노광 시간을 변경하는 수단과, (2) 제7 실시 형태의 변형례에 구비되는, 피사체의 휘도를 평가하여 그 결과에 응하여 전하 축적부(118)의 용량을 변경하는 수단의 쌍방을 화소마다 구비한다(부도시).
변형례 4는, 휘도가 큰 피사체를 촬영하는 화소에서는, 전하 축적부(118)의 용량을 최대로 하여, 또한 간헐적인 노광 동작을 행함으로써, 계조성을 갖고서 화상을 촬영할 수 있는 피사체의 휘도의 범위를 확대하고, 이에 의해 다이내믹 레인지가 넓은 화상을 촬영하는 것을 가능하게 한다.
동시에, 변형례 4는, 휘도가 작은 피사체를 촬영하는 화소에서는, 간헐적인 노광 동작을 행하지 않고서 노광 기간 중에 노광 동작을 계속 행함에 의해, 가능한 한 많은 신호 전하를 얻는다. 또한 전하 축적부(118)의 용량을 작게 함에 의해, 신호 전하를 플로팅 디퓨전(FD)에 전송하여 전하 전압 변환하는 경우의 용량을 작게 하여, 플로팅 디퓨전(FD)으로부터 큰 출력 전압을 얻는다. 이에 의해, S/N이 높은 화상을 촬영하는 것을 가능하게 한다.
이와 같이, 변형례 4는, 상기 (1)와 (2)의 쌍방을 화소마다 구비함에 의해, 휘도의 큰 피사체와 휘도가 작은 피사체의 쌍방이 혼재한 피사체를 촬영한 경우에, 다이내믹 레인지가 넓고 또한 S/N이 높은 화상을 촬영하는 것을 가능하게 한다라는 작용 효과를 가져온다.
이상 설명한 제7 실시 형태 및 그 변형례에 관한 고체 촬상 소자에서도, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자와 마찬가지로, 도 33에 기재한 촬상 장치 등의 전자 기기에 있어서, 그 촬상부로서 이용할 수 있다. 제7 실시 형태 및 그 변형례에 관한 고체 촬상 소자는, 제1 실시 형태 내지 제6 실시 형태에 관한 고체 촬상 소자와 마찬가지로, 신호 전하의 축적에 관한 간헐구동에 의해 다이내믹 레인지의 확대를 도모할 수 있다. 이에 의해, 촬상 장치(50)의 화질을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 개시는, 이하와 같은 구성을 취할 수도 있다.
[1] 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부, 및,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를 구비하는 고체 촬상 소자.
[2] 복수의 광전변환부는, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지고,
단위화소는, 전하전압 변환부, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제1의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제2의 전송 게이트부, 및, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부를 갖는, 상기 [1]에 기재된 고체 촬상 소자.
[3] 배출 게이트부는, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 제1의 광전변환부에 배출하는, 상기 [2]에 기재된 고체 촬상 소자.
[4] 간헐구동은, 배출 게이트부 및 제2의 전송 게이트부를 구동하는 펄스 신호에 의한 간헐적인 구동인, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[5] 구동부는, 제2의 전송 게이트부 및 배출 게이트부를, 노광 기간에서, 도통 기간이 겹쳐지지 않도록, 교대로 같은 주파수로 동작시키는, 상기 [2] 내지 [4]의 어느 하나에 기재된 고체 촬상 소자.
[6] 배출 게이트부를 형성하는 게이트 전극은, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는, 상기 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[7] 배출 게이트부는, 제2의 광전변환부와 제1의 광전변환부의 사이에 직렬로 배치된 2개의 게이트부로 이루어지고,
2개의 게이트부 중, 제1의 광전변환부측의 게이트부의 게이트 전극은, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는, 상기 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[8] 단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제1의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터와 제2의 전송 게이트부에 의해 둘러싸이는 제2 영역으로 이루어지는, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[9] 제1의 전환 게이트부는, 제1의 광전변환부의 신호 전하를 판독할 때에, 전하전압 변환부에 관해, 고변환효율 모드와 저변환효율 모드의 전환이 가능한, 상기 [8]에 기재된 고체 촬상 소자.
[10] 단위화소는, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는, 상기 [8] 또는 [9]에 기재된 고체 촬상 소자.
[11] 단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제2의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제2 영역으로 이루어지는, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[12] 단위화소는, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는, 상기 [11]에 기재된 고체 촬상 소자.
[13] 단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 제1의 전환 게이트부와 제2의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터에 의해 둘러싸이는 제2 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제3 영역으로 이루어지는, 상기 [2] 또는 [3]에 기재된 고체 촬상 소자.
[14] 단위화소는, 제3 영역에 접속된 용량 소자를 갖는, 상기 [13]에 기재된 고체 촬상 소자.
[15] 복수의 광전변환부는, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지고,
단위화소는, 전하 축적부, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제1의 전송 게이트부, 전하 축적부와 전하전압 변환부와의 포텐셜을 결합하는 제2 및 제3의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송하는 제4의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부, 제4의 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부, 및, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가하는 전하량 평가부를 가지며,
제4의 전송 게이트부의 게이트 전극의 하부에는, 제2의 광전변환부로부터 넘친 전하를 전하 축적부에 전송하는 오버플로우 패스가 형성되어 있고,
노광 시간 제어부는, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는, 상기 [1]에 기재된 고체 촬상 소자.
[16] 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부,
광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 구동부, 및,
광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨을 기초로, 당해 광전변환부의 노광 시간을 제어하는 제어계를 구비하는 고체 촬상 소자.
[17] 제어계는, 광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨에 의거하여 피사체의 휘도를 평가하는 피사체 휘도 평가부, 및, 피사체 휘도 평가부의 평가 결과에 의거하여, 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 펄스 신호의 펄스 폭을 제어함에 의해 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부를 갖는, 상기 [16]에 기재된 고체 촬상 소자.
[18] 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하고,
단위화소는, 전하 축적부, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송한 전송 게이트부, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부, 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부, 및, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가하는 전하량 평가부를 가지며,
노광 시간 제어부는, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는, 고체 촬상 소자.
[19] 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하는 고체 촬상 소자의 구동에 있어서,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는, 고체 촬상 소자의 구동 방법.
[20] 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부와,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를 구비하는 고체 촬상 소자를 갖는 전자 기기.
10(10A, 10B), 100 : CMOS 이미지 센서
11 : 화소 어레이부
12 : 수직 구동부
13 : 칼럼 처리부
14 : 수직 구동부
15 : 시스템 제어부
16(161∼16m) : 화소 구동선
17(171∼17n) : 수직 신호선
18 : 신호 처리부
19 : 데이터 격납부
20 : 단위화소
21, 22 : 전송 트랜지스터(전송 게이트부)
23, 27 : 셔터 트랜지스터(배출 게이트부)
24 : 리셋 트랜지스터
25 : 증폭 트랜지스터
26 : 선택 트랜지스터
28(281, 282) : FD 전환 트랜지스터
31 : 피사체 휘도 평가부
32 : 노광 시간 제어부
50 : 촬상 장치
51 : 광학계
52 : 촬상부
53 : DSP 회로
54 : 프레임 메모리
55 : 표시 장치
56 : 기록 장치
57 : 조작계
58 : 전원계
59 : 버스 라인
101 : 제1의 반도체 소자층
102 : 제2의 반도체 소자층
103 : 제3의 반도체 소자층
104 : 제4의 반도체 소자층
105 : 제5의 반도체 소자층
111 : 제1의 광전변환부
112 : 제2의 광전변환부
113 : 제1의 전송 게이트부
114 : 제2의 전송 게이트부
115 : 제3의 전송 게이트부
116 : 제4의 전송 게이트부
117 : 제1 배출 게이트부
118 : 전하 축적부
119 : 제2 배출 게이트부
201 : 피사체 휘도 평가 유닛
202 : 노광 시간 제어 유닛
203 : 화소 동작 제어 유닛
204 : A/D(아날로그/디지털) 변환 유닛
205 : 게인 연산 유닛
206 : 블렌드 합성 유닛
211 : 노광 시간 메모리
212 : 게인 연산 전 화소 데이터 메모리
213 : 게인 연산 후 화소 데이터 메모리
214 : 블렌드 후 와이드 D화소 데이터 메모리
221 : 비선형 압축 처리 유닛
222 : 화상 신호 처리 유닛
301 : 제1의 온 칩 렌즈
302 : 제2의 온 칩 렌즈
Cap : 용량 소자
FD, FD1, FD2 : 플로팅 디퓨전
PD1 : 제1의 포토 다이오드
PD2 : 제2의 포토 다이오드
11 : 화소 어레이부
12 : 수직 구동부
13 : 칼럼 처리부
14 : 수직 구동부
15 : 시스템 제어부
16(161∼16m) : 화소 구동선
17(171∼17n) : 수직 신호선
18 : 신호 처리부
19 : 데이터 격납부
20 : 단위화소
21, 22 : 전송 트랜지스터(전송 게이트부)
23, 27 : 셔터 트랜지스터(배출 게이트부)
24 : 리셋 트랜지스터
25 : 증폭 트랜지스터
26 : 선택 트랜지스터
28(281, 282) : FD 전환 트랜지스터
31 : 피사체 휘도 평가부
32 : 노광 시간 제어부
50 : 촬상 장치
51 : 광학계
52 : 촬상부
53 : DSP 회로
54 : 프레임 메모리
55 : 표시 장치
56 : 기록 장치
57 : 조작계
58 : 전원계
59 : 버스 라인
101 : 제1의 반도체 소자층
102 : 제2의 반도체 소자층
103 : 제3의 반도체 소자층
104 : 제4의 반도체 소자층
105 : 제5의 반도체 소자층
111 : 제1의 광전변환부
112 : 제2의 광전변환부
113 : 제1의 전송 게이트부
114 : 제2의 전송 게이트부
115 : 제3의 전송 게이트부
116 : 제4의 전송 게이트부
117 : 제1 배출 게이트부
118 : 전하 축적부
119 : 제2 배출 게이트부
201 : 피사체 휘도 평가 유닛
202 : 노광 시간 제어 유닛
203 : 화소 동작 제어 유닛
204 : A/D(아날로그/디지털) 변환 유닛
205 : 게인 연산 유닛
206 : 블렌드 합성 유닛
211 : 노광 시간 메모리
212 : 게인 연산 전 화소 데이터 메모리
213 : 게인 연산 후 화소 데이터 메모리
214 : 블렌드 후 와이드 D화소 데이터 메모리
221 : 비선형 압축 처리 유닛
222 : 화상 신호 처리 유닛
301 : 제1의 온 칩 렌즈
302 : 제2의 온 칩 렌즈
Cap : 용량 소자
FD, FD1, FD2 : 플로팅 디퓨전
PD1 : 제1의 포토 다이오드
PD2 : 제2의 포토 다이오드
Claims (20)
- 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부, 및,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를
구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제1항에 있어서,
복수의 광전변환부는, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지고,
단위화소는, 전하전압 변환부, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제1의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제2의 전송 게이트부, 및, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
배출 게이트부는, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 제1의 광전변환부에 배출하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
간헐구동은, 배출 게이트부 및 제2의 전송 게이트부를 구동하는 펄스 신호에 의한 간헐적인 구동인 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
구동부는, 제2의 전송 게이트부 및 배출 게이트부를, 노광 기간에서, 도통 기간이 겹쳐지지 않도록, 교대로 같은 주파수로 동작시키는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제3항에 있어서,
배출 게이트부를 형성하는 게이트 전극은, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제3항에 있어서,
배출 게이트부는, 제2의 광전변환부와 제1의 광전변환부의 사이에 직렬로 배치된 2개의 게이트부로 이루어지고,
2개의 게이트부 중, 제1의 광전변환부측의 게이트부의 게이트 전극은, 제1의 광전변환부의 일부와 겹쳐지도록 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제1의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터와 제2의 전송 게이트부에 의해 둘러싸이는 제2 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제8항에 있어서,
제1의 전환 게이트부는, 제1의 광전변환부의 신호 전하를 판독할 때에, 전하전압 변환부에 관해, 고변환효율 모드와 저변환효율 모드의 전환이 가능한 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제8항에 있어서,
단위화소는, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제2의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제2 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제11항에 있어서,
단위화소는, 제2 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제2항에 있어서,
단위화소는, 전하전압 변환부에서 변환된 전압을 출력하는 증폭 트랜지스터, 전하전압 변환부를 리셋하는 리셋 트랜지스터, 제1의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제1의 전환 게이트부, 및, 제2의 전송 게이트부와 리셋 트랜지스터의 사이에 마련된 제2의 전환 게이트부를 가지며,
전하전압 변환부는, 제1의 전송 게이트부와 증폭 트랜지스터와 제1의 전환 게이트부에 의해 둘러싸이는 제1 영역, 제1의 전환 게이트부와 제2의 전환 게이트부와 리셋 트랜지스터에 의해 둘러싸이는 제2 영역, 및, 제2의 전송 게이트부와 제2의 전환 게이트부의 사이에 위치하는 제3 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제13항에 있어서,
단위화소는, 제3 영역에 접속된 용량 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제1항에 있어서,
복수의 광전변환부는, 제1의 광전변환부 및 제2의 광전변환부로 이루어지고,
단위화소는, 전하 축적부, 제1의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하전압 변환부에 전송하는 제1의 전송 게이트부, 전하 축적부와 전하전압 변환부와의 포텐셜을 결합하는 제2 및 제3의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송하는 제4의 전송 게이트부, 제2의 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부, 제4의 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부, 및, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가하는 전하량 평가부를 가지며,
제4의 전송 게이트부의 게이트 전극의 하부에는, 제2의 광전변환부로부터 넘친 전하를 전하 축적부에 전송하는 오버플로우 패스가 형성되어 있고,
노광 시간 제어부는, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 제2의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부,
광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 구동부, 및,
광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨을 기초로, 당해 광전변환부의 노광 시간을 제어하는 제어계를
구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 제16항에 있어서,
제어계는, 광전변환부로부터 얻어지는 신호 레벨에 의거하여 피사체의 휘도를 평가하는 피사체 휘도 평가부, 및, 피사체 휘도 평가부의 평가 결과에 의거하여, 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동하는 펄스 신호의 펄스 폭을 제어함에 의해 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하고,
단위화소는, 전하 축적부, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 전하 축적부에 전송한 전송 게이트부, 광전변환부에서 광전변환된 전하를 배출하는 배출 게이트부, 전송 게이트부 및 배출 게이트부의 도통/비도통을 제어함에 의해 광전변환부에서의 노광 동작의 노광 시간을 제어하는 노광 시간 제어부, 및, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작의 기간 내의 어느 시점에서 전하 축적부에 축적된 전하의 양을 평가하는 전하량 평가부를 가지며,
노광 시간 제어부는, 전하량 평가부의 평가 결과에 응하여, 1회의 광전변환부에서의 노광 동작에서의, 전하량 평가부에 의한 평가 이후의 노광 시간을 제어하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자. - 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부를 구비하는 고체 촬상 소자의 구동에 있어서,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자의 구동 방법. - 복수의 광전변환부를 포함하는 단위화소가 복수 배치되어 이루어지는 화소 어레이부, 및,
복수의 광전변환부의 신호 전하의 축적에 관해 간헐구동함에 의해 복수의 광전변환부의 감도비를 바꾸는 구동부를
구비하는 것을 특징으로 하는 고체 촬상 소자를 갖는 전자 기기.
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| JP2016069981 | 2016-03-31 | ||
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